표면집중형 탄탈럼(Ta) 도핑을 통한 양극재의 고출력 · 고안정성 구현 과정 개념도

건국대학교 최원창 교수(화공생명에너지공학부) 연구팀이 전기차(EV)와 에너지저장장치(ESS)에 적용할 수 있는 고출력·고안정성 리튬이온전지 양극재 설계 기술을 제시했다. 연구팀은 리튬망간철인산염(LMFP) 양극재 표면에 탄탈럼(Ta)을 선택적으로 도입하는 표면집중형 도핑 전략을 구현해 고율 충·방전과 저온 구동 조건에서 발생하는 성능 저하를 효과적으로 완화했다. 이번 연구 성과는 재료과학 분야의 저명 국제학술지 ‘스몰(Small)’(IF=11.8)에 게재됐다.

리튬망간철인산염은 기존 리튬인산철(LFP) 양극재보다 높은 전압 영역을 활용할 수 있어 에너지 밀도를 높일 수 있는 차세대 양극재로 주목받고 있다. 그러나 실제 전기차와 ESS 운전 환경에서는 높은 에너지 밀도뿐 아니라 빠른 충·방전이 가능한 출력 특성, 저온에서도 안정적인 구동 성능, 장기간 사용에도 성능 저하를 억제하는 내구성을 동시에 확보해야 하는 과제가 있었다. 특히 양극재의 리튬이온 이동 속도와 계면 안정성은 배터리 성능을 좌우하는 핵심 요소로 꼽힌다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 리튬망간철인산염 입자 전체를 도핑하는 기존 방식에서 벗어나 전극 반응이 집중적으로 일어나는 표면부만을 선택적으로 제어하는 전략을 제안했다. 이온의 느린 확산 특성을 활용해 탄탈럼이 입자 내부 전체로 확산되지 않고 표면 인근에 집중되도록 설계했으며, 이를 통해 양극재 표면 구조를 안정화하고 리튬이온 이동 경로를 개선했다. 이 같은 접근은 소재 내부 구조의 불필요한 변형을 최소화하면서도 실제 성능 저하가 시작되는 계면을 효과적으로 제어할 수 있다는 점에서 의의가 있다.

성능 측정 결과, 연구팀이 개발한 양극재는 고율 충·방전 조건에서의 용량 유지율과 고온·고충전 저장 조건에서의 용량 유지율이 모두 향상됐다. 이를 통해 빠른 충·방전과 장기간 사용 환경에서 요구되는 출력 안정성과 저장 안정성을 동시에 확보할 수 있음을 확인했다.

이번 연구는 차세대 리튬이온전지 양극재 개발의 핵심 과제인 ‘고에너지 밀도·고출력·장수명’ 특성을 동시에 확보할 수 있는 소재 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 향후 해당 전략은 리튬망간철인산염뿐 아니라 다양한 망간계·인산염계 양극재의 표면 안정화 기술로 확장될 수 있으며, 저온 환경에서의 전기차 성능 저하 완화와 급속충전 대응, ESS의 안정적인 전력 공급 등 차세대 배터리 소재 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

최원창 교수는 “이번 연구는 리튬망간철인산염 양극재의 성능 저하가 주로 발생하는 표면부를 정밀하게 제어함으로써 고율 충·방전과 저온 구동 환경에서의 한계를 완화할 수 있음을 보여준 결과”라며 “향후 전기차와 ESS에 요구되는 고출력·장수명 리튬이온전지 양극재 개발을 위한 소재 설계 지침이 될 것으로 기대된다”고 말했다.