NCM 양극재 소재의 혁신적 성능 향상 방법 제시

한양대학교 유기나노공학과 안희준 교수, 화학공학과 임희대 교수 공동연구팀이 하이니켈 리튬니켈코발트망간산화물(NCM)의 출력과 수명 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 탄소 캡슐화 기술을 개발했다고, 한양대가 17일 밝혔다.

최근 전기차 수요가 증가함에 따라 시장에서 요구되는 리튬이온배터리의 성능 수치가 높아지고 있다. 배터리의 고용량·고출력 특성을 충족하기 위해 니켈 함량 80% 이상의 하이니켈 양극재의 개발이 진행되고 있으나, 수명 안정성 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있다.

또한 고용량 배터리 설계를 위한 고밀도 후박 전극 설계는 전극의 저항이 증가하면서 출력 특성이 저하되는 문제가 있어 해결책이 필요한 상황이다. 특히 하이니켈 NCM 양극재는 수분 및 환원 조건에 취약한 소재이므로 기존에 알려진 탄소 캡슐화 기술들의 적용이 상당히 어려운 소재이다.

이에 연구팀은 에탄올에 분산된 그래핀과 탄소나노튜브 기반의 탄소 슬러리를 개발하여 상온에서 마찰열을 통해 용매를 증발시켜 탄소 캡슐화를 진행하는 코팅 공법을 개발하였다.

제안된 탄소 캡슐화 공법은 0.15%의 낮은 탄소 함량으로도 양극재를 얇고 균일하게 캡슐화할 수 있으며, 적용된 탄소 캡슐층은 그래핀 층 사이에 탄소나노튜브가 삽입된 3차원 형태의 탄소 구조체로 구성되어 양극재 표면에 전자와 이온을 원활하게 수송할 수 있다. 또한 양극재의 표면열화를 유발하는 플루오린화 수소(HF)를 비활성화하는 첨가제들을 탄소 캡슐층에 첨가하여 캡슐층의 표면 보호 효과를 극대화하였다.

이렇게 개발된 탄소 캡슐화된 NCM 양극재는 전기전도도와 이온전도도가 개선되어 12분 이내의 빠른 충·방전이 가능하였고, 반응 중 표면에서의 구조열화 및 부산물 층 형성이 억제되어 45℃ 고온 조건에서 기존 NCM 양극재 대비 약 3배의 향상된 수명 안정성을 보였다.

연구팀이 개발한 탄소 캡슐화 기술은 도전재 함량을 낮출 수 있어 고밀도 전극 설계에 적용 가능하며, 향후 후막전극 제작을 위한 건식 전극 공정에서도 전기전도도와 이온전도도 개선을 위해 적극적으로 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구를 주도한 안희준 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 탄소 캡슐화 기술은 배터리 활물질에서 필수적인 전기전도도와 이온전도도 개선 및 표면부반응 억제 효과를 제공한다”며 “양극재뿐만 아니라 해당 효과들이 필요한 모든 전극 소재에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구는 재료과학 분야 세계적인 권위지인 [Advanced Functional Materials] 11월호에 게재됐으며, 표지논문으로도 선정됐다.

[사진1] 공동 연구팀 사진. (왼쪽부터) 한양대 안희준 교수, 임희대 교수, 황정욱 박사(포스코퓨처엠 양극재연구센터 재직)

[사진자료2] 연구결과 모식도. (a) 탄소 캡슐화 모식도, (b) 탄소 캡슐화 조건에 따른 전극 면저항 비교, (c) 전극별 전이금속 용출 테스트, (d) 사이클 후 입자 내부 균열 및 표면 결정구조 열화 분석, (e) 탄소캡슐화 전후 율특성 및 고온 수명안정성 성능 비교

[사진자료3] 2023년 11월 2일자 [ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS] 표지