건국대, 차세대 리튬이온전지 양극재 설계 기술 개발

[이데일리 신하영 기자] 건국대 연구팀이 전기차(EV)와 에너지저장장치(ESS)에 적용할 수 있는 고출력·고안정성 리튬이온전지 양극재 설계 기술을 개발했다.

왼쪽부터 최원창 교수, 이혜지 석사과정생(사진=건국대)

건국대는 최원창 화공생명에너지공학부 교수팀이 이러한 연구 성과를 거뒀다고 3일 밝혔다.

연구팀은 이번 연구에서 리튬망간철인산염(LMFP) 양극재 표면에 탄탈럼(Ta)을 선택적으로 도입하는 표면 집중형 도핑 전략을 구현했다. 고율 충·방전과 저온 구동 조건에서 발생하는 성능 저하 현상을 효과적으로 제어한 것이다.

리튬망간철인산염은 리튬인산철(LFP) 양극재보다 에너지밀도를 높일 수 있는 차세대 양극재로 주목받고 있다. 다만 실제 전기차·ESS에 적용할 땐 높은 에너지밀도뿐 아니라 △저온 환경에서의 안정적 구동 성능 △장기간 사용에도 성능 저하를 억제하는 내구성을 동시에 확보해야 한다. 특히 양극재의 리튬이온 이동 속도와 계면 안정성은 배터리 성능을 좌우하는 핵심 요소로 꼽힌다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 리튬망간철인산염 입자 전체를 도핑하는 기존 방식에서 벗어나 전극 반응이 집중적으로 일어나는 표면부만을 선택적으로 제어하는 전략을 제안했다. 이온의 느린 확산 특성을 활용해 탄탈럼이 입자 내부 전체로 확산되지 않고 표면 인근에 집중되도록 설계한 것이다. 이를 통해 양극재 표면 구조를 안정화하고 리튬이온 이동 경로를 개선할 수 있었다.

연구팀이 개발한 양극재 기술은 성능 측정 결과 고율 충·방전 조건에서의 용량 유지율과 고온·고충전 저장 조건에서의 용량 유지율이 모두 향상됐다. 빠른 충·방전과 장기간 사용 환경에서 요구되는 출력 안정성과 저장 안정성을 동시에 확보한 것이다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 저명 국제학술지(Small)에 게재됐다. 최원창 교수는 “이번 연구는 리튬망간철인산염 양극재의 성능 저하가 주로 발생하는 표면부를 정밀하게 제어함으로써 고율 충·방전과 저온 구동 환경에서의 한계를 완화할 수 있음을 보여준 결과”라며 “향후 전기차와 ESS에 요구되는 고출력·장수명 리튬이온전지 양극재 개발을 위한 소재 설계 지침이 될 것”이라고 설명했다.