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인하대 김민규 교수, 하이니켈 배터리 한계 넘는 복합 전극 전략 제시

[여성종합뉴스] 인하대학교(총장 조명우)는 화학과 김민규 교수 연구팀이 이차전지의 핵심 소재인 하이니켈 양극재의 한계를 극복할 수 있는 새로운 복합 전극 전략을 제시했다고 7일 밝혔다.

 

김 교수 연구팀은 리튬인산철(LiFePO₄·LFP)과 하이니켈(High-Ni) 양극소재를 단순 혼합해 구성한 복합 전극에서 자발적인 리튬 이온 이동 현상을 활용, 기존 하이니켈 소재의 초기 충·방전 시 나타나는 비가역 용량 손실 문제를 효과적으로 줄일 수 있음을 입증했다.

 

하이니켈 양극재는 에너지 밀도가 높고 가격 경쟁력이 뛰어나 전기차, 드론, 도심항공모빌리티(UAM) 등 차세대 이동수단에 적합한 소재로 평가받지만, 초기 충·방전 과정에서의 성능 저하와 수명 문제는 여전히 해결 과제로 남아 있다.

 

연구팀은 하이니켈 소재가 방전 후 리튬을 충분히 받아들이지 못하는 반응 속도(키네틱) 한계를, 함께 사용된 LFP에서 자발적으로 리튬 이온이 이동해 하이니켈로 삽입되는 새로운 전극 내 반응 메커니즘을 통해 극복할 수 있음을 밝혔다. 이 과정은 외부 조작 없이 두 소재 간 전기화학적 포텐셜 차이에 따라 자연스럽게 발생한다.

 

이번 연구에서는 실시간 결정 구조 분석과 반응 기여도 분할 측정 기법을 통해 복합 전극 내에서 발생하는 화학 반응의 동역학과 각 소재의 역할도 과학적으로 규명했다. 특히 리튬 이온의 자발적 이동 현상이 사용을 거듭할수록 강화돼, 장기 사용 시 배터리 수명 저하도 늦출 수 있다는 점이 확인됐다.

 

이 전략은 실제 산업 현장에서 활용되는 NMC811(니켈 80% 이상 포함) 단결정 및 다결정 양극재에도 동일하게 적용되어 상용화 가능성도 확인됐다.

 

이번 연구는 영국왕립화학회(RSC)에서 발간하는 에너지 분야 국제 저명 학술지 Energy & Environmental Science(IF 32.4, 상위 0.4%) 최근호에 게재됐다. 단순한 소재 개발을 넘어, 기존 상용 소재 간 상호작용을 활용해 성능을 높이는 새로운 설계 접근이라는 점에서 주목받고 있다.

 

김민규 교수는 “복잡한 신소재 개발 없이도 상용화된 소재를 기반으로 새로운 전극 구조를 설계할 수 있다는 점에서 실용성이 높다”며 “향후 다양한 소재 조합을 통해 차세대 이차전지 상용화에 기여할 수 있도록 연구를 이어가겠다”고 말했다.

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