원자력연, 중성자 활용해 차세대 이차전지 수명 저하 문제 풀어

(대전=연합뉴스) 정찬욱 기자 = 국내 연구진이 차세대 이차전지로 주목받는 ‘하이 니켈(high-Ni) 배터리’ 수명을 높일 새로운 방법을 찾았다.

한국원자력연구원은 하나로양자과학연구소 김형섭 박사팀이 표준과학연구원 박혁준 박사, 충남대 진형민 교수팀과 함께 하이 니켈 양극재 합성 때 발생하는 나노 크기 결함을 정량적으로 분석해 제어하는 방법을 최초로 제시했다고 23일 밝혔다.

하이 니켈은 전기차, 휴대전화, 노트북 등에 흔히 사용되는 대표적 이차전지인 리튬이온전지의 차세대 양극재로 주목받고 있다. 양극재는 배터리 성능을 좌우하는 배터리의 핵심 요소로 가격이 비싸 새로운 양극 소재 개발 경쟁이 치열하다.

하이 니켈 양극재는 니켈-코발트-망간을 함유한 양극재 중 고가의 코발트 일부를 니켈로 대체해 니켈 비중을 90%까지 높인 소재다. 저렴하지만 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 저장 용량을 크게 늘릴 수 있다.

하지만 합성이 어렵고, 이 과정에서 입자 내부에 0.1∼300nm(10억분의 1ｍ) 크기의 아주 미세한 기공이 발생해 수명이 줄어드는 문제가 있다.

최근 전자현미경 분석을 통해 이런 기공이 열처리 조건 등 합성 조건에 따라 크기와 개수가 달라진다는 점이 일부 밝혀졌지만, 기공이 정확히 얼마큼 생기는지는 알 수 없었다.

연구팀은 정확한 결함 구조 분석을 위해 중성자를 활용했다. 중성자 활용 장치를 통해 하이 니켈 양극재 합성 과정에서 열처리 조건에 따라 나노 크기의 미세한 결함이 얼마큼 발생하는지 정량화했다.

조건에 따라 결함의 크기와 양을 정량적으로 알아낸 것은 이번이 처음이다.

이를 통해 결함을 최소화할 수 있는 최적의 열처리 조건을 찾았고, 저온 전처리 공정을 거치면 부산물 형성이나 나노 크기의 결함이 줄어들어 배터리 수명을 기존보다 10% 향상할 수 있다는 것을 증명했다.

이번 연구 결과는 재료 분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 온라인판에 이달 게재됐다.

jchu2000@yna.co.kr