울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 서동화 교수 국제 공동연구팀이 차세대 전기차 배터리 소재로 주목받는 ‘무질서 암염 물질’의 설계 원리를 새롭게 제시했다고 9일 밝혔다.
연구팀은 고성능 무질서 암염 전극 설계 원칙으로 여겨지던 ‘리튬 과잉 조성’ 원리가 특정 무질서 암염 소재엔 적용되지 않는다는 사실을 최초로 밝혀냈다.
코발트, 니켈 등 고가 희귀 금속이 다량 포함된 양극재는 전기차 배터리(리튬이온 배터리) 셀 가격의 20% 이상을 차지한다.
이 때문에 값싸고 매장량이 풍부한 망간, 철 등이 많이 포함된 무질서 암염 소재가 새로운 양극재로 주목받고 있다.
상용 소재 대비 용량도 30∼50% 이상 커 전기차뿐만 아니라 신재생에너지 발전 전력을 저장할 대용량 배터리 소재로도 적합하다.
다만 기존 연구 결과 무질서 암염 양극재의 고용량 성능을 끌어내기 위해서는 일반 양극재보다 리튬 함량을 높게 설계해야 했는데, 소재 내 리튬 함량이 높으면 불안정한 산소가 전극 밖으로 잘 새어 나가 전지 수명이 줄어드는 문제가 있었다.
그러나 연구팀은 이 같은 기존 이론에 배치되는 사실을 밝혀냈다.
연구팀에 따르면 망간, 바나듐 등 특정 금속 기반 무질서 암염 소재는 리튬 함량을 줄여도 고용량 전극 성능을 그대로 유지하고, 수명은 기존보다 2배 이상 좋아졌다.
연구팀은 리튬 함유량이 다른 두 종류의 망간 기반 무질서 암염 소재를 이용한 실험과 밀도범함수이론 기반의 양자역학 모델링 기법을 통해 이 같은 사실을 확인했다.
니켈, 코발트 금속 기반 무질서 암염 소재는 기존 이론대로 리튬 함량이 높을수록 전극 성능이 좋다.
서 교수는 “전기차뿐만 아니라 신재생에너지 발전량 증가로 값싸고 용량이 큰 배터리 소재에 대한 관심이 높다”며 “무질서 암염 소재가 상용화된다면 이러한 수요를 충족시킬 수 있을 것”이라고 말했다.
캐나다 맥길대 이진혁 교수, 미국 매사추세츠공과대(MIT) 쥐 리 교수도 함께 참여한 이번 연구 결과는 에너지 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스'(Advanced Energy Materials)에 6일 자로 공개됐다.
연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업, 해외우수연구기관유치사업의 지원을 받았고, 한국과학기술정보원의 슈퍼컴퓨터를 지원받아 수행했다.