한국연구재단은 이현욱 울산과학기술원(UNIST) 교수 연구팀이 로드니 루오프 기초과학연구원(IBS) 로드니 루오프 교수, 성원경 박사, 진성환 강원대 교수, 위장 리 미국 UCLA 교수와 공동으로 급속 줄 가열 기술 기반 새로운 소결 공정을 제안했다고 11일 밝혔다. 연구팀은 이를 통해 하이니켈 양극재 미세구조 결함을 제어하고, 수명과 율속 특성을 크게 향상하는 데 성공했다.
하이니켈 양극재는 대표적인 상용 배터리 소재로 고용량과 고에너지 밀도를 구현할 수 있어 전기차, 고속 충전 전지 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나 열 안정성이 낮아 고온 소결 과정에서 구조적·형상적 열화가 발생하기 쉽다.
연구팀은 이를 해결을 위해 수초 이내 고온에 도달할 수 있는 급속 줄 가열 시스템을 도입했다. 소결 공정 중 지배적인 확산 메커니즘을 전환하는 방식을 활용했다.
이를 통해 입자들이 뭉쳐 하나의 큰 덩어리로 성장하는 것이 아니라, 작은 입자들이 치밀하게 응집되도록 유도함으로써 비정상적인 입자 성장과 기공 잔존 현상을 억제했다. 그 결과 전지의 수명과 기계적 안정성 모두를 획기적으로 높아졌다.
이번 연구를 통해 기계적 치밀화가 하이니켈 양극재 구조적 안정성과 수명 향상에 핵심 역할을 한다는 점이 입증됐다.
또 하이니켈 양극재의 열처리(소결) 과정에서 발생하는 미세구조 결함을 정밀하게 제어함으로써 고에너지 밀도 전지 장수명화와 고신뢰성 구현이 가능할 것으로 기대된다.
이현욱 교수는 “이번 연구는 단순한 열처리 조건의 변경을 넘어, 양극 소재의 소결 거동 전반에 대한 원리적 접근과 실증적 검증을 함께 수행했다는 데에 차별성이 있다”며 “향후 다양한 산화물 기반 전극 소재 소결 공정 최적화를 위한 기반 기술로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구성과는 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 지난 4일 온라인 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
