한양대학교 ERICA 에너지바이오학과 방진호 교수 연구팀이 차세대 배터리 소재로 주목받는 ‘코발트 프리 하이 니켈 코어/쉘 양극재’의 표면 불안정성을 유발하는 근본 원인을 세계 최초로 규명하고, 이를 극복할 수 있는 공정 전략을 개발했습니다.

최근 전기차 배터리 시장에서는 코발트의 높은 가격과 환경 문제로 인해 이를 배제하고 망간이 풍부한 쉘을 적용한 하이 니켈 양극재가 차세대 소재로 주목받고 있습니다. 이론적으로 니켈의 높은 용량과 망간의 구조적 안정성을 결합할 수 있지만, 상용화 단계에서 예기치 않은 표면 불안정성과 급격한 용량 감소라는 난제에 부딪혀왔습니다.

방 교수팀은 이러한 성능 저하의 결정적 원인이 합성 초기 단계인 ‘수산화물 전구체의 공기 노출’에 있음을 밝혀냈습니다. 전구체가 산소가 풍부한 대기에 노출될 때 발생하는 자발적인 표면 망간 산화가 소성 과정에서 ‘얀-텔러 왜곡(Jahn-Teller distortion)’을 유도하고, 결과적으로 산소 결함이 풍부한 불안정한 표면층을 형성하게 된다는 것입니다.

이렇게 변형된 표면 구조는 전해액의 화학적 분해를 가속화하는 촉매 역할을 하며 망간 용출을 유발하고 음극 성능까지 저하시키는 연쇄 반응을 일으킵니다. 실제로 연구팀은 니켈 함량이 95% 이상인 시스템에서 이러한 표면 붕괴가 1,000회 충방전 동안의 용량 저하 속도를 2배나 가속화한다는 사실을 입증했습니다.

연구팀은 이러한 치명적인 결함을 차단하기 위해 소성 과정에서 리튬 함량을 기존보다 10% 초과 상태로 합성하는 ‘리튬 보상 전략’을 해결책으로 제시했습니다. 이 방법을 적용하면 결함성 스피넬 상의 형성이 효과적으로 억제되고 망간-산소 간의 결합력이 복원되어, 90% 이상의 우수한 용량 유지율과 높은 전기화학적 안정성을 동시에 확보할 수 있습니다.

방진호 교수는 “이번 연구는 기존 망간 안정화 양극재의 표면 불안정성의 숨겨진 기원을 밝혀낸 것”이라며, “리튬 보상 전략을 통해 견고한 고에너지 배터리 시스템을 설계할 수 있는 실질적인 방법을 제공할 뿐만 아니라, 향후 차세대 전기차용 양극재 제조 공정의 핵심 품질 관리 지표가 될 것”이라고 강조했습니다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 교육부가 주관하는 한국연구재단 사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구 결과는 세계적 권위의 학술지인 『Energy & Environmental Science』에 5월 13일 자로 온라인 게재되었으며, 다수의 주요 언론을 통해 보도되었습니다.
 

논문명: Precursor-driven Jahn-Teller distortion as a hidden origin of surface instability in Mn-stabilized Ni-rich cathodes

저자정보: 심진하(제1저자, 한양대학교), 유영걸(공동저자, 한양대학교), 최유빈(공동저자, 한양대학교), 방진호 교수(교신저자, 한양대학교)