고온에서 탄생한 단결정, 100만 km 전기차 만들까

합성 온도예 따른 고니켈 양극 소재의 미세 구조 변화와 임계온도에서 단결정 합성 전략 모식도. (자료제공 : 포스텍)

포항공과대학교(포스텍, 총장 김성근)은 친환경소재대학원·신소재공학과 박규영 교수, 친환경소재대학원 통합과정 이경은·친환경소재대학원 김유라 동문 연구팀은 최근 포스코홀딩스 미래기술연구원과의 공동 연구를 통해 전기차용 양극 소재 수명을 획기적으로 늘리는 단결정 합성 기술 전략을 제시했다고 7월 8일 밝혔다. 

전기자동차 배터리에 많이 사용되는 리튬(Li) 이차전지는 리튬 이온을 저장하는 양극과 이를 방출하는 음극 간 이온의 이동을 통해 전기를 생산한다. 전기차용 이차전지는 많은 양의 리튬 이온을 저장할 수 있는 소위 니켈(Ni)계 양극 소재를 주로 활용한다. 기존 니켈계 소재는 여러 작은 결정들이 모여 있는 다결정 구조로 전지를 충·방전하는 과정에서 구조적 변형이 발생하면서 수명이 급격하게 줄어드는 치명적인 단점이 있었다.

이러한 문제를 해결하는 한 가지 방법은 ‘단결정’ 형태로 양극 소재를 만드는 것이다. 니켈계 양극 소재를 하나의 큰 입자 형태인 ‘단결정’ 구조로 만들면 구조적·화학적 안정성과 내구성을 높일 수 있다. 단결정 소재는 높은 온도에서 합성되어 단단한 특성을 지니게 되는 것으로 알려져 있다. 그러나 아직 이 소재의 합성과정에서 어떻게 단단해지는지, 어떤 합성 조건에서 단단해지기 시작하는지는 아직 명확히 밝혀진 바가 없다.

이번 연구에서 연구팀은 전기자동차용 니켈 양극 소재의 내구성을 높이기 위해 고품질의 단결정 소재가 합성되는 특정 온도, 즉 ‘임계온도(critical temperature)’에 주목했다. 연구팀은 니켈 기반 양극 소재(이하 N884)의 합성 과정에서 단결정이 효과적으로 만들어지는 온도를 찾기 위해 다양한 합성 온도를 탐색하고 온도에 따른 소재의 용량과 장시간 사용에 미치는 영향을 체계적으로 관찰하였다.

연구팀은 임계온도 아래에서 합성된 기존의 다결정 소재의 경우 장시간 이차전지 사용에서 손쉽게 파괴가 발생한다는 것을 확인했다. 그러나 특정 임계 온도 이상에서는 고품질의 단결정이 쉽게 합성되면서 뛰어난 수명 특성을 가지는 소재로 바뀌는 것을 확인하였다. 

이는 이 소재가 특정 임계 온도 이상에서는 ‘치밀화’ 과정을 겪게 되기 때문이다. 높은 온도에서 합성된 경우, 내부의 입자 크기가 커지며 소재 내부의 비어있는 공간을 조밀하게 채우는 현상이 발생한다. 치밀화를 거친 단결정은 매우 단단하여 장시간 사용에도 파괴가 거의 일어나지 않아 뛰어난 내구성을 보인다. 연구팀은 이러한 연구 결과를 바탕으로 임계 온도 이상에서 단결정화가 더 유리한 소재 설계 전략임을 확인했다. 또한, 고품질의 단결정 소재를 효과적으로 합성할 수 있는 전략을 제시하였다.

박규영 교수는 “니켈계 양극 소재의 내구성을 높이기 위한 새로운 합성 전략을 제시했다”며 “더 싸고, 빠르며, 오래가는 전기차 이차전지를 위한 연구를 이어가겠다”고 전했다.

이번 연구는 ㈜포스코홀딩스, 과학기술정보통신부 기초연구의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료 분야 국제 학술지인 ‘ACS Materials & Interfaces’ 온라인판에 최근 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹코리아)=이광호 ]