배터리융합공학과

KANGWON NATIONAL UNIVERSITY

문화예술·공과대학 배터리융합공학과 김영진 교수가 국제 저명 학술지 「Materials Today」에 연구 논문을 게재했다.

「Materials Today」는 영향력 지수（Impact Factor） 22.0을 기록하며, JCR 상위 3.8％에 속하는 재료공학 분야의 대표적 국제 학술지로 꼽힌다.

이번 연구는 「Interfacial Stability Enhancement in Single-Crystal NCM Cathodes through Electronic Structure Optimization」을 주제로 진행됐으며, 김영진 교수 연구팀에는 허보성 원생이 공동 1저자로 참여하고, 성균관대학교 에너지학과 김현승 교수, 한국교통대학교 반도체신소재공학과 장준하 교수와 공동으로 리튬이온전지 단결정 미드니켈 조성 양극재가 고전압 조건에서 안정성을 확보할 수 있는 핵심 메커니즘을 규명했다.

최근 국내 주요 배터리 업체들이 ‘고전압 단결정 미드니켈 양극재’를 차세대 중가형 전기차 시장의 핵심 전략으로 제시하면서, 해당 기술은 전 세계 배터리 산업의 주요 화두로 부상하고 있다.

미드니켈 양극재는 고가의 니켈·코발트 함량을 줄이고 저렴한 망간 비율을 높여 원가 절감과 성능을 동시에 확보할 수 있는 소재로, 하이니켈 대비 가격 경쟁력과 LFP 대비 우수한 에너지 효율을 겸비하고 있다.

연구팀은 입자 간 결정립계 영향을 최소화한 단결정 NCM 소재를 활용해, 미드니켈 조성（NCM613）이 고전압에서도 우수한 장기 수명 안정성과 고온 용량 유지율을 보이는 현상을 실험과 이론 계산을 통해 입증했으며, 이러한 안정성이 소재 표면의 전자구조 특성에 기인함을 확인했다.

연구 결과에 따르면 하이니켈 조성은 높은 표면 전자 밀도로 인해 낮은 전압에서도 전해질 분해 반응이 활발히 일어나 표면 손상이 가속화되는 반면, 미드니켈 조성은 낮은 표면 전자 밀도로 인해 고전압에서도 가스 발생과 표면 열화를 효과적으로 억제하는 것으로 나타났다. 또한 미드니켈 조성은 하이니켈보다 약 20℃ 높은 온도에서 열분해가 시작되고 발열량이 크게 감소해, 우수한 열적 안정성을 확보했다.

김영진 교수는 “이번 연구는 단결정 구조를 통해 기계적 열화 요인을 최소화함으로써, 배터리 안정성을 결정짓는 핵심 요인이 작동 전압이 아닌 소재의 전자구조임을 과학적으로 입증했다”며 “이번 성과가 고전압 단결정 미드니켈 양극재의 산업적 전략에 과학적 근거를 제공하고, 글로벌 중가형 전기차 시장에서의 경쟁력 강화로 이어지길 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 정보통신기술기획평가원（IITP）의 ‘인공지능첨단원천유망기술개발사업’과 한국산업기술진흥원（KIAT）의 ‘이차전지소재·셀제조산업 전문인력양성사업’의 지원을 받아 수행됐다.