급속 줄 가열로 하이니켈 양극재 수명 연장

리튬이온 배터리의 수명을 크게 늘릴 수 있는 하이니켈 양극재 제조 기술이 국내 연구진을 중심으로 개발됐다. 고온 소결 과정에서 발생하는 비정상 입자 성장을 억제해 전기차 등 고에너지 전지의 장수명화와 신뢰성 향상을 가능케 하는 성과다.

한국연구재단은 울산과학기술원(UNIST) 이현욱 교수 연구팀이 IBS 로드니 루오프 교수, 성원경 박사, 강원대학교 진성환 교수, 미국 UCLA 위장 리 교수와 함께 ‘급속 줄 가열(Rapid Joule Heating)’ 기반 소결 공정을 적용해 하이니켈 양극재의 미세구조 결함을 정밀 제어했다고 밝혔다.

하이니켈 양극재는 니켈 함량이 80% 이상인 차세대 배터리 소재로, 고용량·고에너지 밀도를 구현할 수 있지만 열 안정성이 낮아 제조 시 구조·형상 열화가 발생하기 쉽다. 기존 고온 장시간 소결은 입자가 과도하게 성장하고 기공이 형성돼 성능 저하를 유발하며, 반대로 저온 소결은 치밀화가 부족해 내부 기공이 잔존하는 문제가 있었다.

연구팀은 수초 이내 고온 도달이 가능한 급속 줄 가열 시스템을 도입해 소결 중 지배적 확산 메커니즘을 전환했다. 이를 통해 입자 응집(densification)은 촉진하면서도 비정상 성장(coalescence)과 기공 형성을 억제했다. 결과적으로 양극재의 구조적 안정성과 기계적 강도가 모두 향상됐다.

이 과정에서 방사광가속기 기반 실험(In-situ XRD, SAXS)과 3D Ptychography 분석을 통해 충방전 시 입자 내부 반응 불균일성과 기공 진화를 억제하는 효과를 검증했다. 특히 20나노미터 수준의 고해상도 비파괴 이미징으로 기존 TEM 분석의 시편 손상 문제를 피하며 정밀 구조 정보를 확보했다.

이현욱 교수는 “이번 연구는 단순한 열처리 조건 변경이 아니라 소결 거동 전반에 대한 원리적 분석과 실증을 병행한 것”이라며, “다양한 산화물 전극 소재의 소결 최적화로 확장될 수 있는 기반 기술”이라고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 ‘이차전지 국제공동연구’ 지원으로 수행됐으며, 성과는 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 온라인판에 8월 4일 게재됐다.