충전할수록 구조 바뀌며 용량 늘었다···포스텍, 차세대 배터리 원리 규명

포스텍 연구팀이 규명한 망간계 양극재의 구조 변화 원리. 포항공대 제공

충전과 방전을 반복하면서 내부 구조가 흐트러져도 오히려 사용할 수 있는 용량이 늘어나는 배터리 소재의 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.

포항공대(POSTECH)는 홍지현 배터리공학과 교수와 박규영 배터리공학과·신소재공학과 교수 연구팀이 차세대 전기차 배터리 소재로 주목받는 망간계 양극재의 구조 변화 원리를 규명했다고 28일 밝혔다.

연구팀이 주목한 소재는 ‘리튬과잉층상구조소재(LMRO)’다. 값비싼 니켈과 코발트를 적게 쓰면서도 기존 니켈계 양극재보다 약 20% 많은 에너지를 저장할 수 있어 차세대 배터리 소재로 꼽힌다.

다만 충전과 방전을 반복하면 용량과 작동 전압이 떨어지는 문제가 있었다. 그동안 여러 연구가 진행됐지만 배터리 내부 구조가 왜 서로 다른 형태로 변하는지는 명확히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 충·방전 과정에서 양극재 안의 산소가 빠져나가는 현상에 주목했다. 원래 이 소재는 리튬과 금속 원자가 층을 이루며 규칙적으로 배열돼 있다. 하지만 충전을 반복하면서 산소가 빠져나가면 원자 배열이 흐트러지고, 결국 규칙이 거의 없는 ‘무질서 암염 구조’로 바뀐다.

연구팀은 이때 빠져나가는 산소의 양이 구조 변화를 결정한다는 사실을 확인했다. 배터리를 더 높은 전압까지 충전할수록 산소 손실이 커졌고, 그만큼 내부 구조도 더 많이 바뀌었다. 또 구조가 적절하게 흐트러질 경우 리튬이 이동할 수 있는 통로가 늘어나 오히려 사용 가능한 용량이 증가하는 것으로 나타났다.

연구팀이 산소 손실 정도를 조절한 소재는 200회 이상 충·방전을 반복한 뒤에도 초기 성능의 98.4%를 유지했다. 연구팀은 이번 연구가 그동안 배터리 노화로 여겨졌던 구조 변화를 적절히 제어하면 오히려 성능과 수명을 높일 수 있음을 보여줬다고 설명했다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘에너지 & 환경과학’에 게재됐다. 해당 논문은 편집진이 선정한 상위 10% 논문인 ‘핫 아티클’에도 포함됐다.

홍 교수는 “배터리 구동 온도나 표면 환경을 조절하면 산소 손실과 구조 변화를 제어할 수 있다”며 “용도에 맞는 차세대 전기차용 배터리를 설계하는 데 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.