김종순 교수팀, 코발트 없애고 니켈 줄인 차세대 배터리 양극 소재 개발

- 산소 결합 안정화 전략으로 100회 충·방전 후에도 93.4% 용량 유지 성공

- 가격 경쟁력 대폭 강화하여 전기차용 차세대 리튬이온배터리 상용화 앞당겨

▲ (왼쪽부터) 에너지과학과 김종순 교수(교신저자), 안진호 박사(주저자), 포항공과대학교 홍지현 교수(교신저자)

에너지과학과 김종순 교수 연구팀은 차세대 리튬이온배터리의 핵심 후보로 꼽히는 ‘과리튬계 양극 소재(LMR)’의 성능 저하 원인을 정밀하게 규명하고, 이를 억제할 수 있는 새로운 설계 전략을 통해 세계 최고 수준의 안정성을 갖춘 신규 소재를 개발했다.

현재 전기차 배터리 시장에서 주로 사용되는 양극 소재는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)을 섞은 삼원계(NCM) 소재다. 하지만 코발트와 니켈은 가격이 비싸고 수급이 불안정하다는 단점이 있다. 반면, 과리튬계 양극 소재는 값비싼 니켈과 코발트 비중을 줄이는 대신 저렴한 망간의 함량을 높여 가격 경쟁력이 뛰어나며, 이론적으로 저장할 수 있는 에너지 용량 또한 기존 소재들보다 훨씬 크다는 장점이 있다.

하지만 이러한 잠재력에도 불구하고, 과리튬계 소재는 배터리를 반복해서 사용할수록 내부 구조가 변하면서 전압이 떨어지고 에너지가 급격히 줄어드는 ‘구조적 열화’ 문제로 인해 상용화에 어려움을 겪어왔다.

김종순 교수 연구팀은 이 문제의 해법을 찾기 위해 소재의 초기 변화뿐만 아니라 장기간 사용 시 발생하는 구조 변화를 면밀히 분석했다. 그 결과, 배터리가 충전되고 방전될 때마다 구조적 변형이 누적되어 성능 저하를 가속화한다는 사실을 밝혀냈다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 소재 내부에 ‘산소 공유결합 제어인자’를 도입하는 전략을 세웠다. 이는 소재 내부의 산소 원자가 제자리를 지키도록 돕는 일종의 '고정 장치' 역할을 한다. 이 기술을 적용한 결과, 배터리 구동 중 산소 가스가 빠져나가는 현상을 막고 구조적 강직성을 높여, 100회 충·방전 이후에도 처음 용량의 93.4%를 유지하는 성과를 거두었다. 이는 기존 소재 대비 수명이 약 30% 이상 향상된 수치다.

▲ 산소공유결합 제어인자 도입을 통해, 지속적인 구조 열화 누적이 차단되었음을 실험적으로 확인함.

산소 가스 방출이 크게 억제되었고, 100회 충·방전 기준 용량 유지율이 30%p 이상 증가함.

특히 이번 연구는 원가 비중이 높은 니켈 함량을 구조 내 0.1몰 수준까지 최소화하고 코발트를 전혀 사용하지 않는 ‘코발트 프리(Co-Free)’ 설계를 구현해 경제성을 극대화했다. 연구팀이 개발한 신규 소재는 비용당 에너지 지표에서 기존 하이니켈 소재(구조 내 니켈 0.8몰, 코발트 0.1몰)보다 2.6배 이상 우수한 수치를 기록하며 상용화 가능성을 입증했다.

▲ 신규 소재는 기존 하이니켈 소재 (NCM811) 대비 약 2.6배 높은 비용당 에너지 지표를 달성함. 

기존 대표적 과리튬계 소재와 비교했을 때도 약 20% 이상 높은 수치를 달성하며 경제성 또한 우수함을 입증함.

김종순 교수는 “이번 연구는 과리튬계 양극 소재의 고질적인 문제인 구조 열화의 원인을 규명하고, 이를 제어할 수 있는 실질적인 해법을 제시했다는 데 큰 의미가 있다”며 “뛰어난 원가 경쟁력과 성능을 동시에 확보한 만큼, 향후 전기차 등 대용량 에너지 저장 장치 분야 발전에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 한국연구재단의 소재글로벌영커넥트 프로그램 지원으로 수행되었으며, 에너지 분야의 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 2026년 1월 14일 게재되었다.

※ 논문명: Co-Free and Ni-Minimized Li- and Mn-Rich Layered Cathodes With Suppressed Structural Disordering for High-Performance and Cost-Effective LIBs

※ 학술지: Advanced Energy Materials

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/aenm.202505121