리튬 이차전지의 양극은 보통 축구공과 같은 구형으로, 리튬(Li)과 니켈(Ni)·코발트(Co)·망간(Mn) 혼합물이 1대 1의 비율로 섞여있다.
다시 니켈·코발트·망간 각 성분의 비율에 따라 리튬 이차전지 자체의 특성이 달라지는데, 니켈이 많으면 에너지 저장 능력이 커지는 대신 폭발 위험 등의 측면에서 안전성이 떨어지고 반대로 망간 비율이 높아지면 보다 안전하지만 에너지 저장 효율이 낮아진다.
코발트가 늘어나면 전지의 수명 연장과 빠른 충·방전이 가능해진다. 기존 리튬 이차전지의 경우 보통 이 성분들을 섞어 1차 구형 입자를 만들고, 다시 수많은 1차 입자를 모아 구형 양극(지름 10~15㎛)을 제조한다.
그러나 연구진은 구형 양극의 중심에서 겉표면에 이르기까지 니켈과 망간의 비율이 계속 변하도록 양극을 설계했다.
구형 양극의 중심 부분에서 표면으로 갈수록 니켈 비중은 떨어지는 반면 망간 비중은 늘어나는 식이다.
그 결과 양극의 중심을 채운 니켈 때문에 에너지 저장 효율이 40% 정도 높아졌다. 기존 리튬 이차전지의 에너지 밀도가 150㎃/ｇ 정도인데 비해 새로 개발된 전지의 경우 210㎃/ｇ로 측정됐다.
또 리튬 이차전지의 폭발은 주로 양극을 둘러싼 전해질과 니켈이 만나 이뤄지는데, 새 전지에서는 양극 표면쪽 니켈 농도가 낮기 때문에 폭발 위험도 크게 줄었다.
선 교수는 "이번 연구 결과가 앞으로 하이브리드 전기자동차나 전력저장시스템용 중대형 리튬이차전지 개발에 중요한 바탕이 될 것"이라고 설명했다.
이 논문은 '네이처(Nature)'의 물리·재료과학 분야 자매지인 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials)'에 지난 8일 실렸다.
김지성 khs4096@koreanewstoday.co.kr
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