서울대 강기석 교수팀, 단결정 양극재 합성 난제 해결...SK온과 공동 개발

[한국정보기술신문] 서울대학교 공과대학 재료공학부 강기석 교수 연구팀이 SK온과의 공동 연구를 통해 배터리 업계의 기술적 난제로 꼽혔던 대형 입자 단결정 양극재 개발에 성공했다고 8일 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계 최고 권위 학술지 네이처 에너지에 게재되며 학계의 주목을 받고 있다.

현재 배터리 업계에서 널리 사용되는 다결정 양극재는 여러 입자가 뭉친 구조로 압연 공정이나 충방전 과정에서 균열이 발생해 수명 저하와 가스 생성 문제가 있었다. 반면 단결정 양극재는 하나의 단위 입자가 단일한 결정 구조로 이루어져 균열이 잘 발생하지 않아 수명과 안정성이 뛰어나다.

그동안 단결정 양극재는 소재 합성 과정에서 입자를 크고 균일하게 성장시키면서 구조적 안정성까지 확보하는 것이 어려웠다. 특히 니켈 함량이 높은 양극 소재일수록 단결정 생성에 고온과 장시간 열처리가 필요한데, 이 과정에서 양이온 무질서 현상이 발생해 배터리 성능과 수명이 저하되는 문제가 있었다.

연구진은 이를 해결하기 위해 새로운 합성 방법을 고안했다. 구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장이 용이한 나트륨 기반 단결정을 먼저 만든 뒤, 이를 이온 교환 방식을 통해 리튬 기반으로 대체하는 것이다. 이를 통해 튼튼한 단결정 구조를 유지하면서 양극 소재를 얻을 수 있게 됐다.

또한 연구진은 높은 에너지 밀도 구현에 유리한 대형 입자 단결정에 주목해 화학적 조성, 온도, 시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 체계적으로 분석했다. 그 결과 기존 다결정 양극재의 이차입자와 동일한 수준인 10마이크로미터 크기의 입자를 가지며 양이온 무질서가 없는 울트라 하이니켈 단결정 양극재 개발에 성공했다.

개발된 단결정 양극재는 기계적, 화학적 안정성이 뛰어나고 높은 에너지 밀도를 지닌 것으로 나타났다. 실험 결과 양이온 무질서가 없어 구조 변형이 감소했으며, 가스 발생량도 다결정 양극재 대비 25배나 감소한 것으로 확인됐다. 또한 전극 밀도는 이론적 결정 밀도의 77퍼센트를 달성했다.

울트라 하이니켈은 양극재 내 니켈 함량이 94퍼센트가 넘는 것을 뜻한다. 니켈 함량이 많을수록 에너지 밀도가 높아 전기차 배터리의 경우 1회 충전 시 주행거리가 늘어나는 효과가 있다.

강기석 교수는 이번 성과에 대해 단결정 양극재의 합성 난제를 해결하고 차세대 배터리 기술 개발에 중요한 기반을 마련한 연구라며, 앞으로도 산업계와의 긴밀한 협력을 통해 혁신적인 배터리 소재 연구를 지속할 것이라고 밝혔다.

서울대 재료공학부 전영준 연구원은 이번 연구를 통해 단결정 양극 소재의 성장 과정과 구조적 안정성에 대해 보다 상세한 이해를 얻을 수 있었다며, 이번 결과가 배터리 성능 향상과 제조 공정 개선에 활용되어 산업 발전에도 보탬이 되기를 바란다고 말했다.

연구진과 SK온은 이번 성과를 바탕으로 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구를 이어갈 계획이다. 한층 더 고도화된 소재 조성과 합성 방법을 모색하고, 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적 비율로 조합해 에너지 밀도를 극대화하는 연구도 검토 중이다.

전영준 연구원은 현재 단결정 양극 소재의 결정 성장 메커니즘을 규명하기 위한 후속 연구를 진행하고 있다. 특히 핵심 거동을 정밀하게 이해함으로써 새로운 합성 패러다임으로 확장될 수 있는 기반을 마련하고, 소재 성능과 제조 공정의 효율성을 함께 향상시키는 연구를 지속할 계획이다.

이번 연구 논문은 '초고니켈 양극재의 양이온 무질서가 없는 10마이크로미터 단결정 입자를 통한 이론적 밀도 한계 접근'이라는 제목으로 네이처 에너지에 게재됐다.