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[서울=뉴스핌] 배상희 기자 = 중국과학원 금속연구소 선양재료과학국가연구센터 연구팀이 미량 원소의 물리·화학적 작용 원리에 기반한 새로운 양극재 설계 전략을 제시했다.

이를 통해 양극재 개발 방식을 기존의 '경험에 따른 시행착오'에서 '목표 지향형 설계'로 전환하는 데 진전을 이뤘다는 평가다. 관련 연구 결과는 10월 1일 국제 학술지 '네이처 신세시스(Nature Synthesis)'에 게재됐다.

연구팀은 리튬이온 배터리 양극재의 핵심 과제로 '리튬이온의 느린 이동'과 '소재 구조의 불안정성'에 주목했다. 이에 기초 물리·화학적 메커니즘을 바탕으로 원소를 선별하는 방법을 제시했다.

한 종류의 원소는 리튬이온이 보다 원활하게 이동하도록 하고, 다른 종류의 원소는 양극재의 구조를 더욱 견고하게 만드는 방식이다. 이 같은 기능은 각각 원소의 이온 전하 밀도와 금속-산소 결합 강도와 밀접한 관련이 있다.

전하 밀도가 낮은 원소는 리튬이온이 이동할 때 받는 저항을 줄여 소재 내부에서 리튬이온이 빠르게 이동할 수 있도록 한다. 산소와 강하게 결합하는 원소는 결정 구조의 안정성을 높여 반복적인 충·방전 과정에서 구조가 손상되는 것을 억제한다.

연구팀은 이 두 가지 기준을 적용해 다양한 원소 가운데 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr)을 선별했다. 이후 이들 4개 원소를 각각 약 1%씩 첨가한 다원소 협동 최적화 무코발트 고니켈 양극재를 제조했다.

시험 결과, 약 1% 수준의 여러 미량 원소가 함께 작용하면서 리튬이온의 전달 효율과 소재의 구조 안정성이 동시에 향상됐다.

전기화학 테스트에서는 급속 충·방전, 장수명, 저온 성능을 모두 갖춘 것으로 나타났다. 초고속 충전에서는 3분 만에 충전량이 약 80%에 도달했으며, 6분간 급속 충·방전을 반복한 조건에서도 350회 사이클 후 용량 유지율이 82.4%에 달했다.

이 양극재를 적용해 제작한 5.74Ah 배터리는 영하 20℃에서도 278.6Wh/kg의 에너지 밀도를 구현했다. 연구팀은 이번 결과가 추운 지역의 전기차와 에너지저장장치(ESS)에 적용할 수 있는 새로운 양극재 선택지를 제공할 것으로 기대했다.

pxx17@newspim.com