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연구진은 음극의 결정 구조에 의도적으로 무질서를 도입하면 전반적인 성능과 안정성이 향상될 수 있음을 보여주었다. / 한밭대학교 제공

[투데이에너지 장재진 기자] 전기차와 대용량 에너지 저장 장치(ESS)의 핵심인 '차세대 고에너지 배터리'의 상용화를 앞당길 획기적인 연구 결과가 국내 연구진에 의해 발표됐다.

국립한밭대학교 재료과학공학과 구교진 교수 연구팀은 리튬이 풍부한 음극 소재의 고질적인 문제인 성능 저하 현상을 원자의 구조를 의도적으로 무질서하게 만드는 방식으로 해결했다고 최근 밝혔다.

기존 학설 뒤집은 '비전통적 접근법'… 무질서 속에서 길을 찾다

25일 한밭대에 따르면, 리튬이 풍부한 음극 소재는 차세대 배터리의 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있는 유망한 물질이다. 그러나 배터리가 작동하는 과정에서 전이 금속 이온이 본래 자리를 이탈해 리튬이 이동하는 경로를 막아버리는 치명적인 결함이 있었다. 그동안 과학계는 이 문제를 해결하기 위해 원자들이 규칙적으로 배열된 '질서 있는 결정 구조'를 유지하는 데 집중해 왔다.

반면, 구교진 교수 연구팀은 기존의 패러다임을 뒤집어 원자 구조에 의도적으로 무질서를 도입하는 '비전통적 접근법'을 시도했다.

연구팀은 코발트 등 고가의 금속 대신 니켈-망간 기반의 원재료(Li₁.₂Ni₀.₄Mn₀.₄O₂)를 활용해, 고에너지 볼 밀링(Ball Milling) 공정을 진행했다. 이 기계화학적 과정을 통해 양이온의 정렬을 의도적으로 깨뜨려 리튬과 전이 금속 이온이 무작위로 분포하는 무질서한 암염 배열 구조를 최초로 구현해 냈다.

배터리 수명과 안정성 대폭 향상… 상용화 가속화 기대

연구팀에 따르면, 실험 결과는 놀라웠다. 의도적으로 무질서하게 만든 음극 소재는 규칙적인 구조를 가진 기존 소재보다 전하-방전 거동이 훨씬 더 대칭적이었으며, 고전류 환경에서도 뛰어난 에너지 용량과 성능을 발휘했다. 특히 배터리를 50회 이상 충·방전(사이클)한 후에도 전압 강하 현상 없이 초기 용량의 약 90%를 안정적으로 유지하는 강인함을 보여주었다.

이론적 계산 분석 결과, 원자들을 무질서하게 뒤섞음으로써 리튬의 이동 경로와 전이 금속의 해로운 움직임이 성공적으로 분리된 것으로 확인되었다. 리튬은 그물망처럼 연결된 열린 경로를 통해 효율적으로 흐르는 반면, 경로를 방해하던 전이 금속은 효과적으로 제자리에 고정된 것이다.

구교진 교수는 "그동안 고에너지 배터리 발전의 발목을 잡았던 양이온 장애 문제를 역으로 활용해 의도적인 공학적 도구로 사용할 수 있음을 증명했다"며, "이 원리가 더 발전한다면 리튬 풍부 음극의 상용화를 앞당겨 전기차와 에너지 저장 장치에 더 오래 지속되는 배터리를 보급할 수 있을 것"이라고 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 국제 학술지 '에너지 저장 재료(Energy Storage Materials, Volume 90)'에 게재되며 그 학술적 가치를 인정받았다.

■ 용어 설명

• 리튬이 풍부한 음극 (Lithium-Rich Cathode) =기존 배터리보다 더 많은 양의 리튬을 포함할 수 있도록 설계되어, 전기차 등의 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있는 차세대 고에너지 밀도 배터리의 핵심 소재이다.

• 양이온 무도열 공학 (Cation Disordering Engineering)= 배터리 소재 내부의 리튬 및 전이 금속 이온(양이온)들의 규칙적인 배열을 의도적으로 깨뜨려 무작위(무질서)하게 분포하도록 제어하는 나노 공학 기술이다.

• 고에너지 볼 밀링 (High-Energy Ball Milling)=강력한 기계적 에너지를 이용해 원재료 분말을 짓찧고 섞는 공정이다. 이 과정에서 화학적 반응이 유도되어 원자의 배열 구조를 무질서하게 바꿀 수 있다.

• 암염 배열 (Rocksalt Structure)= 흔히 볼 수 있는 소금(NaCl)과 같은 형태의 결정 구조다. 연구팀은 원자들을 이 구조로 뒤섞어 전이 금속의 이탈을 막았다.

• 전하-방전 거동 (Charge-Discharge Behavior)= 배터리가 전기를 저장(충전)하고 사용하는(방전) 과정에서 나타나는 전압, 용량 등의 변화 흐름과 효율성을 말한다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)