고려대-포스코홀딩스, 배터리 양극재 제조 초기 단계에서 성능 저하 해법 찾았다

△ LMR 양극재 합성 과정에서 산화 전구체의 전이금속 및 상 분리 정도에 따른 Li2MnO3 유사 도메인의 분포 변화와 구조적 템플릿 효과를 나타낸 모식도

고려대학교(총장서리 정순영) 신소재공학부 박혁준 교수와 포스코홀딩스 미래기술연구원(원장, 그룹CTO 김기수) 공동 연구팀이 양극재 제조 초기 단계의 열처리 온도를 조절해 차세대 고용량 리튬이온전지 양극재의 성능과 안정성을 높이는 새로운 전략을 제시했다.

전기차와 에너지저장장치(ESS)에 사용되는 리튬이온전지는 크게 양극과 음극으로 구성된다. 충전할 때는 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하며 에너지를 저장하고, 방전할 때는 반대로 이동하며 전기로 변환된다. 이때 양극재는 배터리의 용량과 성능은 물론 소재 원가를 결정하는 핵심 요소로 꼽힌다. 

리튬·망간 과잉(LMR) 층상 산화물 양극재는 기존 양극재와 달리 전이금속뿐 아니라 산소의 산화·환원 반응까지 활용해 높은 용량을 구현한다. 그러나 충·방전 과정에서 내부 결정구조가 변하고 전압이 점차 낮아져 장기적으로 성능을 유지하기 어렵다는 한계가 있었다. 

*전이금속: 망간·니켈·코발트 등 배터리 양극재에 사용되며, 전자를 주고받는 반응에 관여하는 금속 원소

양극재는 전구체를 열처리한 뒤 리튬 원료와 반응시키는 고온 합성 과정을 통해 제조된다. 연구팀은 이 과정에서 전구체 내부의 전이금속 원소들이 서로 분리되며 서로 다른 결정상이 형성되는 현상이 최종 양극재의 내부 구조와 성능에 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다.

*전구체: 최종 소재를 만들기 위해 합성 초기 단계에서 사용하는 원료 물질. 수산화 전구체는 열처리를 거쳐 산화 전구체로 바뀌며, 이후 최종 양극재로 합성된다. 

이를 검증하기 위해 연구팀은 LMR 층상 산화물 양극재의 초기 원료인 수산화 전구체를 서로 다른 온도에서 열처리하여, 구조적 특성이 다른 산화 전구체를 제조했다. 이후 동일한 조건에서 리튬 원료와 반응시켜 최종 양극재를 합성하고, 내부 구조와 성능을 비교했다. 

그 결과, 상대적으로 낮은 온도에서 열처리한 산화 전구체는 금속 원소들이 비교적 고르게 분포하고 상 분리도 적게 나타났다. 이를 이용해 만든 최종 양극재 역시 내부 구조가 비교적 균일했다. 반면 높은 온도에서 열처리한 경우, 산화 전구체와 최종 양극재 모두 내부 구조의 불균일성이 컸다. 연구팀은 이를 ‘구조적 템플릿 효과’로 설명하고, 전구체 구조 조절만으로도 양극재 내부의 나노구조를 제어할 수 있음을 확인했다.

*상 분리: 물질 내부에서 조성(원소의 종류나 함량 비율)이나 결정구조가 다른 부분들이 서로 구분되는 현상

*구조적 템플릿 효과: 원료 물질의 구조적 특징이 후속 제조 과정을 거친 최종 소재의 구조에도 영향을 미치는 현상

이러한 구조 제어는 양극재 성능 향상으로 이어졌다. 개발된 양극재에서는 산소의 산화·환원 반응이 보다 안정적으로 반복됐으며, 충·방전 용량과 고속 충·방전 성능도 우수했다.

특히 1C 조건에서 500회 충·방전한 결과, 높은 온도에서 열처리한 전구체로 만든 양극재는 평균 방전 전압이 358밀리볼트(mV) 낮아진 반면, 낮은 온도에서 열처리한 전구체로 만든 양극재는 250밀리볼트 낮아졌다. 이는 반복 사용에 따른 전압 감소 폭을 약 30% 줄인 것으로, 장기간 배터리 성능을 안정적으로 유지하는 데 유리하다는 의미다. 

*1C 조건: 배터리의 정격 용량을 기준으로 1시간에 완전히 충전하거나 방전하는 전류 조건

이번 연구는 양극재에 새로운 원소를 첨가하거나 조성을 변경하지 않고도 제조 초기 단계의 전구체 구조를 제어해 성능을 개선할 수 있음을 보여준다. 향후 고용량 배터리 양극재의 안정적인 제조 조건을 확립하고 생산 공정을 최적화하는 데 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 포스코홀딩스와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 에너지 분야 국제 학술지인 ‘ACS Energy Letters’ 온라인에 10월 19일 게재됐으며, 연구의 핵심 내용을 시각화한 이미지가 추가 표지(Supplementary Cover)로 선정됐다. 

*논문명: Manipulating Li2MnO3-like domain dispersion in lithium-rich layered oxides inherited from precursor

*DOI: 10.1021/acsenergylett.6c02547

*URL:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c02547

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 신소재공학부 박혁준 교수(교신저자), 한국기초과학지원연구원 손운배 박사, 고려대 김민지 박사, 한국표준과학연구원 배진희 박사(이상 공동제1저자). 이외 포스코홀딩스 및 한국세라믹기술원 연구진이 함께 참여한 산·학·연 공동연구다