“전기차 배터리 수명 2배로”… 러 연구진, 탄탈륨 도핑으로 ‘용량 저하’ 절반 차단

전기차 배터리의 핵심 소재인 양극재의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 신기술이 개발됐다.

14일(현지시각) 과학 기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링에 따르면 러시아 스콜텍(Skoltech) 연구진이 니켈 함량을 높이면서도 배터리 성능 저하를 절반 가까이 줄이는 데 성공하며, 더 멀리 가고 더 오래 쓰는 전기차 시대에 한 걸음 더 다가서게 됐다.


최근 리튬 이온 배터리 업계는 에너지 저장 용량을 극대화하기 위해 니켈 함량이 90% 이상인 ‘하이니켈(NMC90)’ 양극재를 채택하고 있다. 그러나 니켈 함량이 높을수록 배터리를 충방전할 때 소재 입자에 미세한 균열이 발생하며 성능이 급격히 떨어지는 고질적인 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 입자 중심부는 니켈 함량을 높이고, 표면으로 갈수록 망간과 코발트 함량을 늘리는 ‘농도 구배(CG)’ 구조가 대안으로 제시돼 왔다. 그러나 제조 과정에서 전이 금속의 농도를 선형적으로 일정하게 유지하고 입자 모양을 구형으로 관리하는 것이 기술적 난제로 꼽혔다.

인터레스팅 엔지니어링에 따르면 러시아 스콜텍 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 두 가지 혁신적인 접근법을 도입했다. 먼저, 합성 과정에서 전이 금속의 농도 변화를 예측할 수 있는 정교한 수학적 모델을 개발했다. 이 모델은 입자의 반지름과 구형도를 고려해 최적의 농도 구조를 계산해낸다.

두 번째 핵심은 고산화 상태의 탄탈륨(Ta)을 도핑한 것이다. 연구팀은 탄탈륨 산화물(Ta₂O₅)을 0.5몰% 첨가했을 때, 탄탈륨이 입자 표면에 약 5nm(나노미터) 두께의 보호층을 형성한다는 사실을 발견했다. 이 층은 고온 제조 공정에서도 농도 구조가 흐트러지지 않게 잡아주는 ‘방패’ 역할을 한다.


실험 결과, 탄탈륨으로 개질된 양극재를 사용한 배터리는 기존 대비 용량 감소율이 거의 절반 수준으로 줄어들었다. 탄탈륨이 결정 구조 내의 무질서를 적절히 유도하고, 입자가 커지는 현상을 억제해 내부 균열을 막아준 덕분이다.

인터레스팅 엔지니어링에 따르면 이번 연구의 공동 저자인 류치아 시트니코바 연구원은 "기존 연구와 달리 입자의 기하학적 형태까지 고려한 수학적 모델로 최적의 구조를 합성했다"고 설명했다. 선임 연구원 알렉산드라 사비나는 "탄탈륨이 단순히 섞이는 것이 아니라 결정 구조를 에피택시(Epitaxy, 결정축을 따라 층을 쌓는 방식) 형태로 확장해 견고한 표면층을 만든다는 것이 이번 연구의 핵심"이라고 강조했다.
국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재된 이번 성과는 향후 전기차뿐만 아니라 고성능 전자 기기, 대규모 에너지 저장 시스템(ESS) 등 차세대 리튬 이온 배터리 시장에 혁신적인 변화를 불러올 것으로 전망된다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com