배터리융합공학과 김영진 교수팀, 「울트라 하이니켈 양극재 성능 저하」 근본 원인 규명

성균관대·한국전자기술연구원 공동 연구 … 리튬 원료 불순물 제어 통한 배터리 수명 향상

강원대학교(총장 정재연) 춘천캠퍼스(캠퍼스총장 임의영) 문화예술·공과대학 배터리융합공학과 김영진 교수 연구팀은 성균관대학교 에너지학과(김현승·김기재 교수) 및 한국전자기술연구원(KETI) 차세대전지연구센터 연구팀과 공동으로 「울트라 하이니켈 양극재의 표면 잔류 리튬 화합물 형성」을 결정짓는 근본 원인을 규명했다.

이번 연구 성과는 리튬 원료(Li source) 고유의 불순물 수준이 배터리 수명에 미치는 영향을 과학적으로 입증한 결과로, 재료과학 및 나노기술 분야 국제학술지인 「ACS Nano」(JCR 상위 6%)에 4월 21일(화) 온라인 게재됐다.

니켈 함량 90% 이상의 울트라 하이니켈 양극재는 전기차용 고에너지 밀도 배터리의 핵심 소재로 주목받고 있으나, 합성 과정에서 표면에 잔류하는 리튬 화합물이 가스 발생과 성능 저하를 유발해 상용화의 큰 난제로 지적되어 왔다.

기존 연구들은 합성 이후의 수세나 코팅 등 후처리에만 집중해 원료 단계 불순물이 최종 셀 성능에 미치는 체계적인 분석이 부족했다.

연구팀은 동일한 소성 조건에서 리튬 원료만을 수산화리튬 일수화물(LiOH·H2O)과 무수 수산화리튬(LiOH)으로 달리하여 양극재를 합성하고 셀 열화 메커니즘을 정밀 분석했다.

그 결과 불순물이 더 많이 포함된 수산화리튬 일수화물 기반 양극재는 초기 충방전 과정에서 안정한 계면막 형성이 억제되고 전이금속 용출이 증가해 배터리 수명을 가속화시키는 ‘크로스토크(crosstalk)’ 열화를 유발한다는 사실을 확인했다.

반면, 무수 수산화리튬으로부터 합성된 양극재는 균일하고 안정한 표면막을 형성해 500회 충방전 이후에도 우수한 용량 유지율과 낮은 임피던스를 나타냈다.

김영진 강원대학교 배터리융합공학과 교수는 “이번 연구는 양극재 합성 이후의 후처리가 아닌 원료 단계에서부터 잔류 리튬 화합물의 양을 제어하는 것이 성능을 결정짓는 핵심 변수임을 입증했다는 점에서 의의가 크다”며 “리튬 원료의 품질 관리만으로도 고에너지 밀도 리튬이온전지의 신뢰성과 수명을 크게 향상시킬 수 있어 국내 양극재 양산 공정의 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 정보통신기술기획평가원(IITP)의 인공지능첨단유망기술개발사업과 한국산업기술진흥원(KIAT)의 이차전지소재·셀제조산업 전문인력양성사업의 지원을 받아 수행됐다.

<출처: 강원대학교 KNU뉴스 자랑스러운 강대인(2026.5.21.자)>