▲ 사진=서울대학교 공과대학

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 재료공학부 강기석 교수 연구팀(연구원 허재훈)이 철 기반의 초고용량 저가 양극 신소재 개발에 성공했다고 밝혔다.

현재 한국이 기술과 시장성에서 비교우위를 점하고 있는 NCM 소재는 니켈, 코발트가 주성분이다.

하지만 최근 이들 전이금속 가격이 치솟으면서, 원가의 부담이 커지고 있으며, 전기자동차용 이차전지에 대한 수요가 급속히 증가함에 따라 이들 희귀 전이금속의 가격이 이차전지 대량생산과 가격 경쟁력에 큰 걸림돌이 되고 있다. 이에 반해 지구상에 풍부한 철은 가격의 안정성이 큼에 따라 양극소재의 원료로서 주목을 받았지만 대부분의 철기반 양극소재는 LFP 소재 이외에는 에너지 밀도나 전지 구동 특성이 현저히 낮았다.

이에 강기석 교수 연구팀은 LFP를 뛰어넘을 수 있는 철 기반의 초고용량 저가 양극소재를 개발하는 데 성공했다. 연구팀은 이러한 문제를 철을 불소황화물 기반의 비정질 구조에 포함시킨 새로운 소재를 개발함으로써 해결하고, 높은 용량을 안정적으로 구현하는데 성공했다.

현재 상용화된 대부분의 이차전지 양극 소재(NCM, LFP)는 모두 결정립 사이에 리튬이온을 삽입·탈리하는 반응을 기반으로 작동하게 된다. 하지만 이러한 양극 소재는 소재 내에 존재하는 전이금속의 산화수와 결정내 사이 자리(Interstitial site) 숫자에 의해 최대의 용량이 제한되기에, 더 높은 에너지 밀도를 구현하는 데에 있어 이론적인 한계가 존재한다. 연구팀은 이를 해결하기 위한 방안으로, 결정내 사이 자리 숫자에 구애받지 않고 리튬이온을 저장할 수 있는 전환 반응(conversion reaction)에 주목하고, 이러한 반응이 가능한 비정질 철불소황화물 소재를 합성하는데 성공했다.

전환 반응을 활용한 양극소재는 기존에 보고된 적은 있지만, 전환반응 자체를 이차전지용 양극소재로 수백 회 충방전하는 것은 어렵다고 여겨져 왔다.

이는 전환반응이 소재의 결정 구조 자체를 새로 재배열하는 과정을 포함하고 있어 반복적인 충방전 시에 수반되는 구조의 재배열이 양극 소재의 결정 구조를 망가뜨려 고수명 배터리 소재로의 활용을 어렵게 하기 때문으로 알려졌다.

연구팀은 결정성이 없는 비정질 소재는 전환 반응에 수반되는 구조적인 재배열에도 안정하다는 점에 착안해 수백회 충방전이 가능한 안정적인 초고용량 비정질 소재를 개발했다. 또한 철을 전이금속으로 사용해 저가의 양극소재로 재탄생시켰다.

강기석 교수는 이번 연구에 대해 “상용화가 가능한 초고용량의 차세대 이차전지 소재를 설계했다는 점에서 의미가 크며, 삽입·탈리 반응과 전환 반응을 동시에 이용해 고에너지 밀도와 장수명을 동시에 얻을 수 있는 길이 새롭게 제시됐다”고 밝혔다. 또한 “중저가 이차전지 시장이 중국의 LFP 전지에 의해서 고전하는 상황에서 국내 전지 개발에도 새로운 기회가 될 수 있을 것”이라고 강조했다.

이번 연구 결과는 세계적으로도 주목 받아 자연 과학 분야에서 가장 권위 있는 학술지인 Nature Publishing Group의 Nature Energy에 11월 10일자로 온라인 게재됐다.

해당 연구는 강기석 교수가 지도하고 석박사통합과정 허재훈 연구원이 진행했으며, 삼성전자 미래기술육성센터(SRFC-TA1403-53)의 지원으로 수행됐다.