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국제학술지 사이언스는 11일 표지에 은색 결정이 4단계에 걸쳐 점점 다가오는 모습을 실었음. 생김새가 전부 비슷해 보이지만, 가까운 결정일수록 옆면에 균열이 많음. 이차전지의 성능을 높여줄 단결정 양극재를 개발하고 균열 문제를 막을 수 있는 조건을 찾아낸 연구가 이번 호에 실렸음.

이차전지는 스마트폰, 전기자동차에 쓰이는 충전식 배터리임. 내부를 살펴보면 이온이 움직일 수 있는 전해액 안에 음극과 양극이 분리막을 사이에 두고 놓여있음. 음극과 양극에 장치를 연결하면 음극에 있던 리튬 원자가 이온화돼 내놓은 전자가 장치로 흘러 들어가고, 전기가 흐름. 장치를 거쳐 양극으로 온 전자는 이온과 결합해 다시 리튬 원자로 돌아감. 충전을 하면 이 과정이 반대로 일어나 처음 상태로 되돌아감.

이때 양극을 이루는 물질이 바로 ‘양극재’임. 양극재는 전자와 이온의 결합 속도와 용량에 영향을 주기 때문에 배터리 성능에 핵심 역할을 함. 양극재는 주원료인 망간(Mn), 코발트(Co), 니켈(Ni)의 함유량에 따라 성질이 달라짐. 예를 들어 니켈 함유량이 높으면 배터리 용량이 커지고, 망간 함유량이 높으면 가격이 낮고, 열에 안전함. 코발트가 많으면 수명이 늘어남.

미국 퍼시픽노스웨스트국가연구소(PNNL) 연구팀은 고온의 용융염을 이용해 층층이 쌓인 구조의 다결정 양극재를 단결정으로 만들었음. 다결정 양극재는 충·방전을 자주 하면 부서져 불순물이 생기고 배터리 효율을 감소시킴. 반면 단결정 양극재는 잔해물과 불순물이 잘 생기지 않아 배터리 수명과 용량이 높고 가공비도 절감할 수 있음.

그런데 연구팀이 만든 단결정 양극재는 충·방전을 반복할수록 카드 더미처럼 단층 형태의 균열이 생기는 현상이 발생했음. 이 균열은 리튬 이온이 양극과 음극을 오갈 때 양극제에 응력을 발생시키기 때문에 나타났음. 이는 다결정 양극재와 마찬가지로 배터리 성능 저하의 원인이 될 수 있음.

연구팀은 균열 현상을 방지할 수 있는 몇 가지 조건을 발견했음. 약 4.2V(볼트)의 일반적인 전압에서 배터리를 작동시켰을 때 균열이 가장 적었고 단결정의 크기가 3.5μm(마이크로미터·1μm는 100만분의 1m) 보다 작으면 높은 전압에서도 균열이 생기지 않았음. 연구팀은 균열 문제가 해결되면 현재 쓰이는 양극재보다 최소 25% 더 많은 에너지를 축적할 수 있다고 예측했음.