[로이슈 전여송 기자] 리튬이온 배터리의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 핵심 기술이 개발됐다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 울산과학기술원(UNIST) 이현욱 교수 연구팀이 IBS 로드니 루오프(Rodney Ruoff) 교수, 성원경 박사, 강원대학교 진성환 교수, 미국 UCLA의 위장 리(Yuzhang Li) 교수와 공동으로, 급속 줄 가열(rapid Joule heating) 기술을 기반으로 한 새로운 소결 공정을 제안해 하이니켈 양극재의 미세구조 결함을 제어하고 수명과 율속 특성을 크게 향상시키는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

재단에 따르면 급속 줄 가열 기술이란 전기를 흘려 재료 자체를 순식간에 고온으로 가열함으로써, 배터리 소재를 빠르게 조밀하게 만들면서도 입자 성장을 억제할 수 있는 기술이다. 소결이란 분말 입자들이 열적 활성화 과정을 거쳐 하나의 덩어리로 되는 과정을 뜻한다. 하이니켈 양극재는 니켈 함량을 80% 이상으로 높인 차세대 리튬이온배터리 소재다. 율속이란 여러 단계의 반응으로 이루어진 한 종류의 반응 체계에서 가장 느린 속도의 반응 단계로, 이 단계의 반응 속도에 의해서 반응 체계의 전체 속도가 결정된다.

하이니켈 양극재는 대표적인 상용 배터리 소재로 고용량과 고에너지 밀도를 구현할 수 있어 전기차, 고속 충전 전지 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나 열 안정성이 낮아, 고온 소결 과정에서 구조적·형상적 열화가 발생하기 쉽다는 문제가 있다.

연구팀은 고온 소결 과정에서 발생하는 과도한 입자 성장과 저온 소결 시 기공 형성이 전지 성능 저하의 주요 원인임에 주목하고, 이러한 미세구조 결함의 기원을 소결 동역학(sintering dynamics) 관점에서 분석했다. 동역학이란 물체에 작용하는 힘과 그 힘에 의한 물체의 운동(가속도, 속도 변화 등)을 연구하는 역학의 한 분야를 뜻한다.

문제 해결을 위해, 수초 이내에 고온에 도달할 수 있는 급속 줄 가열 시스템을 도입해, 소결 공정 중 지배적인 확산 메커니즘을 전환하는 방식을 활용했다.

이를 통해 입자들이 뭉쳐 하나의 큰 덩어리로 성장(coalescence)하는 것이 아니라, 작은 입자들이 치밀하게 응집(densification)되도록 유도함으로써 비정상적인 입자 성장과 기공 잔존 현상을 억제했다. 그 결과, 전지의 수명과 기계적 안정성 모두를 획기적으로 향상시킬 수 있었다.

이번 연구를 통해 기계적 치밀화가 하이니켈 양극재의 구조적 안정성과 수명 향상에 핵심적인 역할을 한다는 점이 입증됐다. 하이니켈 양극재의 열처리(소결) 과정에서 발생하는 미세구조 결함을 정밀하게 제어함으로써, 고에너지 밀도 전지의 장수명화와 고신뢰성 구현이 가능할 것으로 기대된다.

이현욱 교수는 “이번 연구는 단순한 열처리 조건의 변경을 넘어, 양극 소재의 소결 거동 전반에 대한 원리적 접근과 실증적 검증을 함께 수행했다는 데에 차별성이 있다”며, “향후 다양한 산화물 기반 전극 소재의 소결 공정 최적화를 위한 기반 기술로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 원천기술 국제협력개발사업(이차전지 국제공동연구)의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 8월 4일 온라인 게재됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr