KIST, 가성비 전기차’ 시대 연다

- 망간 기반 양극재의 수명 저하 원인 규명… 고가의 니켈 대체 기대

- 전극-전해질 계면 안정화 기술로 수명 62% 향상된 배터리 전략 제시

현재 전기자동차의 배터리에 들어가는 대부분의 양극 소재는 전이 금속 중 60% 이상이 니켈로 이루어진 층상구조 산화물이다. 니켈 층상구조 산화물의 경우 에너지밀도가 높아 전기차의 주행거리를 확보하는 데 유리하지만, 니켈 원자재 수급이 불안정하다는 문제점이 있었다. 

이에 대한 대안으로 연구자들은 국제 현물시장에서 니켈의 17분의 1 정도 가격에 거래되고 있는 망간을 주요 원소로 활용하는 스피넬1) 양극재에 주목했으나 급격한 수명 저하 현상이 상용화의 걸림돌이었다.

겹산화물로 AB2O4형의 화합물(A와 B는 금속 원소)에서 볼 수 있는 대표적 결정 구조형이다. 정팔면체의 외형을 나타내는 결정을 만드는 특징이 있다. (네이버 화학대사전)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지소재연구센터 홍지현 박사 연구팀이 고용량 망간 기반 스피넬 양극 소재의 고질적 문제인 급격한 수명 저하 원인을 규명해 차세대 전기차 배터리로 망간 양극재 리튬배터리의 상용화 가능성을 크게 높였다고 밝혔다.

지난 3년간의 양극재 가격 변동(좌), 타 양극재 대비 망간 기반 양극재의 성능 비교(우). 네모 표시는 이번 성과로 연구한 망간 기반 양극재

망간 기반 양극재(LNMO)는 기존 코발트 기반 양극재(LCO) 또는 니켈 기반 양극재(NMC811)에 비해 가격당 저장 가능한 에너지가 월등히 높으나 수명 특성이 떨어지는 한계가 있었음. 이에 LNMO 소재의 수명을 향상시킬 수 있는 전략을 수립함.

망간 기반 스피넬 양극재는 이론적으로 니켈 기반 상용 양극재 수준의 높은 밀도로 에너지를 저장할 수 있으며, 금속 원자재 가격을 고려하면 가격당 에너지밀도는 2.8배에 달한다. 그러나 전지의 전체 용량을 활용할 경우 급격한 수명 저하 현상이 있었기 때문에 실질적으로는 이론값의 75% 정도로만 에너지를 저장할 수 있었다. 

그간 학계에서는 망간 기반 스피넬 양극재의 충·방전 과정에서 형성되는 3가 망간(Mn3+)이 소재 결정구조의 뒤틀림을 발생시켜 전해질로의 망간 용출을 야기하고, 이는 결국 양극재의 수명 저하의 원인이라는 것이 정설로 여겨졌다. 이에 따라 대부분의 연구가 3가 망간의 형성을 억제하는 데 집중됐다.

새롭게 규명한 망간 기반 스피넬 양극-전해질 계면의 부반응 메커니즘

전지의 작동 전압 범위별 스피넬 양극의 계면에서 나타나는 열화 과정이 다르다. (아랫줄) 넓은 전압 범위에서 양극재를 활용하면 이론 용량을 전부 활용할 수 있으나, 양극-전해질 계면이 역동적으로 반응에 참여하며 전지 성능을 악화시킨다는 것을 최초로 밝혀냈다.

주류 학계의 이론과는 달리 KIST 홍지현 박사팀(제1저자: 임국현 학생연구원)은 전지의 구동 전압 범위를 조절하면 3가 망간이 형성되더라도 양극재가 뛰어난 수명 특성을 보인다는 사실을 새롭게 밝혀냈다. 

연구팀은 기존 이론으로 설명되지 않는 이와 같은 현상의 해석을 위해 방사광 가속기 기법 등 고도의 소재 분석 기술을 활용했다. 이를 통해 거듭되는 충·방전 과정에서 양극 소재 및 전해질 사이 계면의 부반응이 수명을 저하시키는 원인이 되고 있음을 최초로 규명했다.

리튬이온전지 망간 양극재 수명 저하 원인을 규명하고, 수명 개선 기술을 개발한 KIST 연구진

(좌)임국현 학생연구원(제1저자), (우)홍지현 박사

연구팀은 나아가 양극-전해질 계면 안정화를 통해 망간 기반 소재의 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 핵심 전략도 함께 제시했다. 이 같은 전략의 예시로 무(無)-에틸렌 카보네이트 전해질(EC-free electrolyte) 도입으로 상용전해질 대비 62%의 수명 개선 사실을 증명했다. 이것은 현재까지 보고된 망간 기반 스피넬 양극 소재의 성능 가운데 가장 우수한 용량과 출력이다.

(좌) 상용전해질, (우) KIST가 도입한 신규전해질을 사용해 수명이 개선된 망간 양극 리튬이온전지(도입한 신규전해질을 사용 시 가스발생이 억제되는 것을 볼 수 있다.)

KIST 홍지현 박사는 “본 연구를 통해 KIST가 전기차 보급 확대의 기폭제가 될 망간 기반 고에너지 양극 소재의 상용화의 새로운 방법론을 제시했다”라며, “학계와 산업계가 그간 많은 역량을 축적해온 니켈 기반 양극재의 계면 안정화 기술을 망간 기반 차세대 양극재에 적용하는 데 집중한다면 미래 모빌리티 산업에서 우리 기업들이 한층 높은 경쟁력을 유지할 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

전면 표지 논문 선정 이미지

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요 사업 및 한국연구재단 개인 연구 사업(우수신진연구, 중견연구)을 통해 수행되었으며, 해당 연구 결과는 에너지 소재 분야의 세계적 권위지 ‘Advanced Energy Materials’(IF:29.698, JCR 분야 상위 2.464%)의 전면 표지 논문으로 선정됐다.

* 논문명: Regulating Dynamic Electrochemical Interface of LiNi0.5Mn1.5O4 Spinel Cathode for Realizing Simultaneous Mn and Ni Redox in Rechargeable Lithium Batteries

- (제1저자) 한국과학기술연구원 임국현 학생연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 홍지현 선임연구원

문의: 에너지소재연구센터 홍지현(T.02-958-5518, 010-9511-1191, jihyunh@kist.re.kr)