한양대 에너지공학과 선양국 교수 연구팀이 수년간 이차전지 업계의 난제로 여겨지던 코발트가 함유되지 않은 리튬이온 배터리 양극소재 개발에 성공했다. 
해당 양극소재를 사용한 배터리는 안정성·가격·성능을 모두 해결했다는 측면에서 미래형 배터리로 평가받는다.

이번 연구는 에너지 분야의 세계 최고권위 학술지 ‘네이처에너지(Nature Energy)’에 게재됐고, 향후 상용화될 경우 배터리 안정성과 성능을 높이면서 가격은 낮출 수 있다는 장점이 있어 배터리 업계의 주목을 받고 있다. 

코발트는 현재 배터리 시장의 큰 축을 담당하고 있는 NCM(니켈·코발트·망간)과 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 등 배터리 양극소재의 구성에 있어 필수 원소로 평가받는다. 이는 코발트가 리튬이온 양극소재의 결정구조적 안정성에 중요한 역할을 담당하기 때문이다. 

하지만 최근 △환경오염 문제 △특정 국가에 대한 높은 원료의존도 △지속적 가격상승 등의 이유로 코발트를 차세대 리튬이온 배터리 구성에서 제거하려는 시도가 과학계 및 산업계 전반에서 진행되고 있다. 이로 인해 무(無)코발트 양극소재의 개발이 차세대 전기자동차 시장을 선점할 수 있는 핵심 과제로 자리 잡았다. 

코발트가 없는 양극소재의 성공적 개발을 위해, 선 교수팀은 코발트 제거가 배터리에 미치는 영향을 먼저 분석했다. 코발트가 제거된 배터리 양극소재는 구조적으로 매우 불안정해 충전 시 균열(crack) 현상을 보였다. 이러한 균열현상은 양극소재의 수명특성과 안정성을 급격히 하락시키는 원인이기에 무(無)코발트 양극소재 개발을 위해 반드시 해결해야만 했다.

연구팀은 안정적이고 고성능을 가진 무(無)코발트 양극소재 개발을 위해 두 가지 해결책을 제시했다. 

먼저 충전 시 균열문제를 해결하고자 ‘방사배열 막대형상 결정립(grain)’으로 구성된 양극소재를 만들었다. 이러한 특수 형상의 결정립은 기존 결정립과 달리 양극소재의 부피변화로 인해 발생하는 스트레스를 경감시키고, 리튬이온이 빠르게 확산할 수 있는 통로를 만들어 충전 시 균열 문제를 해결했다.

균열문제에 이어 연구팀은 코발트가 없는 양극소재의 결정구조적 불안정성을 해소하고자 리튬과 전이금속의 ‘교대배열 결정구조’를 제시했다. 이러한 교대배열 결정구조는 코발트의 부재로 인해 나타나는 결정구조의 적층결함(stacking fault) 문제를 완화해 결정구조적 안정성을 향상시켰고 기존 코발트의 역할을 대신했다.

나노영역에서부터 마이크로부문까지 맞춤형 공학설계가 적용된 새로운 무(無)코발트 양극소재는 반복적인 고속충전에도 높은 용량 유지율과 안정성을 보였다. 1회 충전으로 700~800 km 주행이 가능하고, 20년간 전지를 사용해도 성능이 유지될 것으로 예측됐다. 

이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업을 통해 달성한 성과 중 하나다. 선양국 교수 연구팀은 최고 수준의 연구실을 적극 지원해 초격차 인재를 배출하는 ‘GET-Future’ 프로그램을 통해 2011년부터 10년간 58억원을 지원받았으며 2021년부터 2027년까지 ‘에너지혁신연구센터’ 프로그램을 통해 76억원을 지원받아 지속적으로 연구를 진행할 예정이다. 

한편 이번 연구는 한양대 에너지공학과 선양국 교수가 주도하고, 신소재공학과 윤종승 교수, 에너지공학과 박건태 박사과정 등이 공동으로 참여했다.