현재 출시되고 있는 전기자동차(EV)는 환경적, 사회적 비용이 많이 드는 희소하고 값비싼 금속인 코발트를 사용하는 리튬 이온 배터리로 구동된다. 그런데 최근 니켈 이온으로 구현되는 코발트 없는 전극이 개발됐다. 

20일(현지시간) 전자기술 매체 테크익스플로어(techxplore)는 일본과 프랑스 대학 연구팀이 전기 자동차용 코발트 프리 배터리의 새로운 지평을 열 실용적인 니켈 기반 전극 재료를 개발했다고 보도했다.

요코하마 국립대학교 나오아키 야부우치(Naoaki Yabuuchi) 박사는 "리튬 이온 배터리용 코발트가 없는 고에너지 전극 재료에 대한 절실한 필요성이 있다"고 말했다.

리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 양극으로 충전된 전극에서 음극으로 충전된 전극으로 흐를 때 재충전된다. 대부분의 휴대용 전자제품용 리튬 이온 배터리의 양극에는 높은 안정성과 에너지 밀도를 제공하는 화합물인 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)이 포함돼 있다.

그러나 코발트 공급망은 한정적이고 문제가 많아 전기차를 포함한 대형 배터리 생산에 병목현상을 일으키고 있다. 더욱이 코발트 추출 과정은 유독성 폐기물을 발생시켜 토양, 공기, 물을 오염시킨다.

이러한 문제를 해결하기 위해 LiCoO2와 구조가 유사한 리튬 니켈 산화물(LiNiO2)은 종종 코발트가 없는 전극 재료의 대안으로 사용된다. 하지만 이 화합물은 주요 불안정성 문제로 어려움을 겪고 있다. 특히, 높은 전압 영역에서 니켈 이온 이동과 관련된 점진적인 용량 손실이 발생한다.

니켈 이온은 부분적으로 다른 금속 이온으로 대체되어 전극의 가역성을 향상시켰다. 코발트 이온 외에도 망가니즈, 알루미늄, 마그네슘 등이 재도입되어, 이러한 조합은 '니켈 풍부 층상 재료'를 형성하여 양극 재료로 사용된다.

야부우치 교수는 "지금까지 니켈 기반 전극 재료에는 10~20%의 코발트 이온이 필요했다"며 "하지만 이는 여전히 너무 많은 양이고, 금속 치환을 통해 공정을 개선할 수 있는 방법에 대한 통일된 이해는 아직 이뤄지지 않았다"고 지적했다.

야부우치 교수와 연구팀은 이러한 지식 공백을 해결하기 위해 문제가 되는 상전이 현상을 더 깊이 연구했다. 외부 전장의 영향으로 리튬 이온이 양극으로부터 빠져나갈 때, 니켈 이온들은 리튬 층 내의 특정 위치로 이동하는데, 이 과정은 원래 가역적이지만, 지속적인 충방전을 통해 가역성이 점차 저하되면서 결국 용량이 완전히 소실된다. 이는 코발트 이온 이동에서는 나타나지 않는 현상이다.

이전 연구에 따르면 LiNiO2에 텅스텐을 첨가하는 것은 고전압 영역에서 유해한 상전이를 억제하는 효과적인 방법이라고 보고됐다. 야부우치 연구팀은 값비싼 텅스텐 이온 대신 더 가볍고 풍부한 원소인 인(phosphorous) 이온을 대체할 수 있다는 가설을 테스트했다.

연구팀은 나노크기의 인산리튬(Li3PO4)과 결합된 LiNiO2를 상세히 분석한 결과, 특정 조건에서는 리튬 층 내부의 과도한 니켈 이온이 반발성 전기 상호작용을 일으켜 니켈 이온 이동이 효과적으로 억제됨을 확인했다.

이 연구 결과를 바탕으로 리튬 층 내부에 추가적인 니켈 이온이 포함된 Li0.975Ni1.025O2(리튬 결핍 LiNiO2)이 인 첨가 없이 간단한 방법으로 합성됐다. 연구 결과 Li0.975Ni1.025O2 는 니켈 이온 이동을 효과적으로 억제하고 코발트 이온을 사용하지 않아도 안정적인 가역성을 제공할 수 있음을 보여줬다.

야부우치 교수는 "이 연구 결과는 매우 간단하고 경제적인 방법으로 고성능의 실용적인 코발트 없는 니켈 기반 전극 재료를 개발하는 새로운 방향을 제시하고 있다"며 "이 재료는 고성능 니켈 기반 전극 재료의 궁극적인 목표를 달성했다"고 주장했다.

연구팀은 앞으로 코발트를 전혀 사용하지 않는 리튬 이온 배터리 재료의 실현 가능성을 연구할 계획이다.