국가전략기술 이차전지 소재 기술 동향①

한국재료연구원과 소재국가기술연구센터가 발간한 ‘소재기술백서 2024’에 따르면, 전기차와 에너지 저장장치(ESS) 시장의 성장과 함께 차세대 배터리 기술이 산업 경쟁력의 핵심으로 부상하고 있다. 특히 코발트를 배제한 무코발트 양극 소재는 정치적·경제적 리스크가 큰 코발트 공급 의존도를 낮추고 배터리 단가 절감과 윤리적 생산을 동시에 실현할 수 있어 주목받고 있다. 또한, 리튬 금속 음극 기술은 기존 흑연 대비 10배 이상의 이론 용량과 고전압 구현이 가능며 전고체 전해질 기술은 누액과 화재 위험을 제거하고 고출력·고안전성 배터리 구현에 핵심 역할을 하면서 글로벌 시장에서 급성장세를 보이고 있다.

최근 이차전지 분야에서는 무코발트 양극과 리튬 금속, 다양한 고체 전해질 소재를 중심으로 성능 향상과 안정성 개선을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 고니켈 양극재의 경우, 충·방전 과정에서 반복적으로 발생하는 응력과 구조적 파괴로 인해 전해질 침투와 부반응이 유발되며 급격한 용량 저하가 발생하는 문제가 지적된다. 이를 해결하기 위해 단결정화, 표면 처리, 합성 공정 최적화 등이 연구되고 있으며, 국내에서는 소성 공정 변경과 표면 코팅 기술을 적용해 양극재의 구조적 안정성을 높이고, 리튬화 임계 온도에서 전구체 분해를 방지하는 유지 시간을 추가하는 방식이 보고되고 있다. 또한, 타겟 스퍼터링과 적정 온도에서의 산화티타늄 코팅, 나노미터 수준의 전이금속 코팅층 형성 등을 통해 전해질과의 부반응을 억제하고 전기화학적 성능을 개선하고 있다. 국외에서도 다중 소결, 용융염 기반 액상 소결, 첨가제 활용 등 단결정 합성 및 구조 안정화 기술이 활발히 연구되며 Te⁶⁺ 이온 도입을 통한 격자 구조 안정화로 산소 손실을 억제하는 사례가 보고됐다.

고망간 양극재는 음이온의 비가역 산화·환원 반응으로 표면 산소 방출이 발생하며, 이로 인해 구조 붕괴, 입자 분해, 전압 및 용량 저하가 초래된다. 이를 극복하기 위해 공침법, 솔-젤법, 수열·용매열법을 활용한 합성과 단결정화, 이온 도핑, 표면 개질 연구가 진행되고 있다. 국내에서는 무에틸렌 카보네이트 기반 전해질 도입으로 기존 대비 수명향상을 달성한 연구가 있으며, 국외에서는 공침법을 통한 농도 구배 단결정 리튬층상 산화물 제조, K⁺와 S²⁻ 도핑, LaF₃ 코팅 등 계면 안정화 및 구조적 변형 지연 기술이 활발히 보고된다.

리튬인산철은 상대적으로 낮은 용량과 리튬이온 확산 속도로 인해 출력밀도가 낮고 저온 및 급속 충전 조건에서 성능 저하가 심화된다. 이를 개선하기 위해 탄소 코팅, 양이온 도핑, 크기 및 결정 형태 제어가 활용되며 국내에서는 코어-쉘 구조의 탄소 코팅과 그래핀 혼성화, 질소 도핑 탄소와 환원된 그래핀산화물 코팅을 통해 용량과 충전 속도를 향상시키는 연구가 보고된다. 국외에서는 플래시 탄소 코팅법, 붕산폴리음이온 도핑, 저비용 환원제 활용 등을 통해 고속 충전과 높은 가역적 용량 확보가 가능하도록 하는 연구가 진행되고 있다.

리튬 금속을 활용한 박막리튬 연구에서는 높은 화학적·전기화학적 반응성으로 인한 전해질 소모, 수지상 형성, 계면 파괴 문제를 해결하기 위해 전해질 조성 최적화와 표면 코팅을 통한 인공 계면 형성에 집중되고 있다. 국내에서는 LiBF₄ 첨가, 용매화 구조 최적화, 인 도핑 질화탄소 코팅 등을 통해 계면 안정화와 사이클 성능 향상을 달성하고 있으며 국외에서는 플루오린화된 고리형 에터 계열 용매, LiTFOB 기반 첨가제, 초박형 이황화몰리브덴 나노시트를 이용한 인공 계면 형성 등이 보고되어 균일한 리튬 전착과 고전압 안정성을 확보하고 있다.

무음극 시스템에서는 고체 전해질 계면과 ‘죽은 리튬’ 형성으로 인한 급격한 용량 손실이 문제로 제기되며 집전체 표면 최적화를 통한 균일한 전착과 계면 설계가 핵심 전략으로 부상하고 있다. 국내에서는 첨가제와 용매화 구조 최적화, 3D 집전체 구조 설계, 인공 고체 전해질 계면 적용 등을 통해 전착 시 핵 형성 장벽을 낮추고 용량 유지율을 개선하였다. 국외에서는 호스트 구조 설계와 전해질 기반 계면 엔지니어링, 전류 밀도와 충·방전 프로토콜 최적화를 통해 유사한 성과를 도출하고 있다.

황화물계 고체 전해질은 공기 및 수분에 민감하여 산화물과 황화수소 발생 가능성이 있으며 계면 불균일과 저항 증가로 배터리 성능 저하가 나타난다. 이를 개선하기 위해 국내에서는 ZnO–LTaO 계열 코팅, 초고속 마이크로파 가열법, 화학기상증착 기반 고분자 코팅 등을 적용하고 있다. 국외에서는 초소수성 보호층, 원자층 증착(ALD) 및 실시간 전기화학적 중합을 통한 계면 보호 기술이 보고되어 계면 안정성과 전도성 개선에 기여하고 있다.

산화물계 고체 전해질은 낮은 이온 전도도와 고온 소결 공정의 필요성으로 제작 한계가 존재하나 국내에서는 볼 밀링과 2단계 소결을 통한 고밀도화, 질화 타이타늄 나노튜브 기반 음극 도입 등을 통해 이온 전도도를 향상시키는 연구가 진행되고 있다. 국외에서는 소결 공정 최적화, 도핑, 계면 코팅, 초고속 소결법 적용으로 결정성, 구조 치밀화 및 전도도 향상을 달성하며 실리콘 도핑과 유기-무기 하이브리드 고체 전해질 형성으로 계면 접촉 문제를 해결하고 있다.

고분자계 고체 전해질은 온도 상승 시 이온 전도성은 증가하지만 기계적 안정성은 저하되는 특성을 갖는다. 이에 국내에서는 난연성 유기 이온성 플라스틱 결정, 탄성체 기반 3차원 구조, 수평 원심 주조 방식을 통해 기계적 강도와 전기화학적 특성을 동시에 개선하고 있다. 국외에서는 세라믹 필러 결합, 고분자·산화물 샌드위치 구조, PBO 나노섬유 및 PEO 기반 이온 전도 네트워크 설계, DMMP 첨가제 도입을 통해 이온 전도성과 기계적 강도를 동시에 향상시키는 연구가 보고됐다.

이처럼 국내외 연구 동향은 양극과 음극, 액상 및 고체 전해질 전 영역에서 소재 구조 최적화, 표면 처리, 도핑, 계면 엔지니어링 기술을 통해 이차전지의 에너지 밀도, 안전성, 수명, 고속 충전 성능을 동시에 개선하는 방향으로 집중되고 있다.