신기술1 // UNIST·PAL·KAIST, 에너지 손실 줄인 ‘리튬과잉 층상 산화물’양극재 개발

편집부 기자
입력 2026.06.01 00:00

UNIST·PAL·KAIST, 에너지 손실 줄인 ‘리튬과잉 층상 산화물’양극재 개발

무질서한 층상 원자 배열로 층간 슬라이딩 억제 효과

차세대 배터리 양극인 ‘리튬과잉 층상 산화물(Lithium-rich layered oxides)’ 소재의 구조 붕괴를 해결할 수 있는 기술이 나왔다. 배터리의 에너지 효율을 낮추고 수명을 줄이는 요인을 제거해, 리튬과잉 층상 산화물 양극재를 이용한 고에너지·밀도 배터리 개발이 빨라질 전망이다.

정리 편집부

자료제공 UNIST

차세대 리튬이온전지의 에너지 밀도를 높이기 위한 양극 소재로 ‘리튬과잉 층상 산화물’이 주목받고 있다. 이 소재는 기존 전이금속의 산화·환원 반응뿐 아니라 산소의 레독스(anionic redox) 반응까지 활용할 수 있어, 이론적으로 매우 높은 용량과 4.5V 이상의 작동 전압을 동시에 구현할 수 있다.

하지만 실제 구동 과정에서는 첫 충·방전 사이클 동안 전이금속 이동, 상전이, 산소 가스 방출 등 비가역적인 구조 변화가 발생한다. 이로 인해 충전 전압과 방전 전압의 차이가 크게 벌어지는 전압 히스테리시스와 초기 쿨롱 효율 저하가 나타나며, 결과적으로 배터리의 실제 에너지 밀도를 제한하는 문제가 발생한다.

원자 배열을 일부러 무질서하게 설계

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이현욱 교수, 포항가속기연구소(PAL) 정영화 박사, 한국과학기술원(KAIST) 서동화 교수팀은 원자 배열을 일부러 무질서하게 설계해 구조 붕괴를 억제함으로써 에너지 효율 저하를 잡은 리튬과잉 층상 산화물 양극 소재를 개발했다.

리튬과잉 층상 산화물은 금속만 반응에 참여하는 일반 배터리와 달리 산소까지 반응에 참여해 배터리 용량을 크게 높일 수 있는 차세대 소재지만, 이 과정에서 발생하는 연쇄적인 구조 붕괴가 고질적인 문제다. 구조 변형 때문에 첫 충·방전 시 전압 차이와 에너지 손실이 커지고, 충·방전이 반복될수록 전압이 점차 떨어져 배터리 수명을 다하게 된다.

연구팀은 금속 원자 배열을 불규칙하게 섞는 방식으로 이러한 구조 붕괴를 억제한 리튬 과잉 층상 산화물을 개발했다. 불규칙한 배열이 오히려 첫 충전 시 층 전체가 한 번에 미끄러지는 현상을 막고 물리적 스트레스를 고르게 분산시켜, 구조의 뼈대가 되는 전이 금속과 산소 간의 결합을 유지 시켜준 덕분이다. 이러한 원리는 밀도범함수(DFT) 이론계산과 포항가속기연구소의 첨단 방사광 가속기 분석을 통해 교차 검증됐다.

160회 충·방전 후에도 에너지 98% 유지

전극의 성능 평가 결과, 첫 번째 충전과 방전 전압 간 차이가 기존 소재의 절반 수준인 0.31V로 감소했으며, 초기 에너지 손실이 0.6%에 그쳤다. 반면 원자 배열이 규칙적인 기존 소재는 첫 충전 전압과 방전 전압의 차이가 2배로 벌어졌으며, 25.8%의 에너지가 손실됐다. 충전 전압과 방전 전압 차이가 클수록 에너지 손실이 크다.

이후 충·방전을 반복할 때 나타나는 전압 감소 속도도 사이클 당 10분의 1 수준으로 낮아져, 160회 충·방전 이후에도 초기 에너지의 98%를 유지했다.

제1저자인 최명준 연구원은 “결함으로 치부되던 원자 배열의 무질서함을 역으로 이용해 구조적 안정성을 확보한 접근”이라며 “특정 조성에 국한되지 않고 다양한 리튬과잉 층상 산화물 양극 소재에 적용될 수 있는 보편적 접근법”이라고 설명했다.

이현욱 교수는 “리튬과잉 층상 산화물은 이론적으로 매우 높은 에너지 밀도를 낼 수 있는 유망한 양극 소재지만, 구조 붕괴와 전압 감소 문제로 상용화에 어려움이 있었다”라며 “이번 기술은 더 작고 가벼우며 더 많은 전기에너지를 저장할 수 있는 차세대 고에너지 밀도 배터리 상용화에 도움이 될 것”이라고 기대했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 나노·미래소재원천기술개발사업과 원천기술 국제협력개발사업의 지원으로 수행됐다. 연구진의 「사전 무질서 기반 설계 전략」은 다양한 고에너지 양극 소재로 확장 가능하며, 향후 전기차 및 차세대 에너지저장시스템을 위한 고에너지·고내구성 배터리 개발에 중요한 설계 원칙으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.