부경대, 전고체전지 핵심 '고니켈 양극' 성능 돌파...수명·출력 동시 확보

전고체 배터리 한계로 꼽힌 성능 저하 해결

경대-에너지기술연 공동연구 성과

(왼쪽) 기존 고니켈양극 소재의 전고체전지 적용 시 문제점, (오른쪽) 멀티 스케일 설계 양극의 전고체전지 적용 시 우수성[사진=국립부경대학교]

차세대 전고체전지 상용화의 핵심 과제로 꼽혀온 고니켈 양극의 수명과 출력 문제를 동시에 해결하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

국립부경대학교 신소재시스템공학과 김남형 교수 연구팀과 한국에너지기술연구원 차형연 박사 연구팀은 나노와 마이크로 구조를 동시에 설계하는 ‘멀티 스케일 구조 설계 전략’을 통해 전고체전지용 고니켈 양극의 성능을 개선하는 데 성공했다.

전고체전지는 높은 에너지 밀도와 안전성을 갖춘 차세대 배터리로 주목받고 있지만, 기존 고니켈 양극을 적용할 경우 성능이 급격히 떨어지는 문제가 있었다. 특히 황화물계 고체전해질 환경에서는 용량이 약 20% 감소하고 반응이 불균일해지는 한계가 확인돼 왔다.

연구팀은 양극 입자 내부에 쌍정 결함을 도입해 리튬 이온 이동 경로를 확보하고, 단결정 구조를 적용해 고압 환경에서도 균열 없이 안정적인 성능을 유지하도록 설계했다. 실험 결과, 해당 기술을 적용한 전고체전지용 양극은 초기 방전 용량 약 197mAh/g을 기록했고, 100회 충·방전 이후에도 90% 이상의 용량을 유지했다.

기존 액체전해질 배터리와 유사한 수준의 수명 특성을 확보한 수치다. 이번 연구는 재료과학 분야 상위 5% 국제 학술지 Energy Storage Materials에 게재됐다.

김남형 교수는 “전고체전지 환경에 최적화된 양극 구조 설계 방향을 제시했다”며 “차세대 배터리 상용 양극 개발의 기준이 될 수 있다”고 밝혔다.

부경대, 폐배터리 재활용도 ‘돌파’...금속 회수율 99% 기술 확보

공동연구팀 사진. 왼쪽부터 고민성, 채수종, 장해성 교수, 강동훈, 임주원 연구원[사진=국립부경대학교]

국립부경대학교와 중앙대학교 공동연구팀은 외부 화학물질 없이 배터리 내부 탄소 성분만으로 금속을 회수하는 ‘간소화된 직접 탄소열환원(SDCR)’ 기술을 개발했다.

기존 재활용 공정은 고온 소성과 유해가스 발생, 복잡한 전처리 과정 등으로 비용과 환경 부담이 컸다. 연구팀은 폐전극에 포함된 탄소를 환원제로 활용해 공정을 단순화하고 환경 부담을 낮췄다. 실제 적용 결과 코발트 99.5%, 리튬 98.6%의 회수율을 기록했고, 에너지 소비는 약 73%, 온실가스 배출은 약 41% 감소한 것으로 나타났다. 전기차 확산으로 급증하는 폐이차전지 처리 문제에 대응할 수 있는 기술로 평가된다.

고민성 교수는 “배터리 내부 구성 요소만으로 재활용을 구현했다는 점에서 의미가 크다”며 “지속 가능한 자원순환 체계 구축의 전환점이 될 수 있다”고 밝혔다. 이번 성과는 부경대가 배터리 산업 전 주기에서 기술 경쟁력을 확보하고 있음을 보여준다. 소재 성능 개선과 자원 순환 기술이 동시에 진전되면서, 차세대 에너지 산업의 핵심 축을 형성할 가능성이 커지고 있다.