포스텍, 전기차 배터리 수명 단축 원인 찾았다…약점 성능으로 역전환 쾌거

열쇠는 ‘산소 방출'… 망간계 배터리 성능 전환 설계법 제시

[포항=뉴시스] 포스텍 배터리공학과 홍지현 교수 연구팀이 차세대 전기차 배터리 소재로 주목받는 망간계 양극 소재의 수명 단축 원인을 밝혀내고, 오히려 약점을 성능으로 바꾸는 새로운 전략을 제시했다. 사진 왼쪽부터 홍 교수, 임국현 박사, 배터리공학과·신소재공학과 박규영 교수, 신소재공학과 통합과정 이호준씨. (사진=포스텍 제공) 2026.09.28. [email protected]

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 포스텍 배터리공학과 연구팀(홍지현 교수·임국현 박사, 배터리공학과·신소재공학과 박규영 교수, 신소재공학과 통합 과정 이호준)이 차세대 전기차 배터리 소재로 주목 받는 망간계 양극 소재의 수명 단축 원인을 밝혀내고, 약점을 성능으로 바꾸는 새로운 역(逆)전략을 제시했다고 28일 밝혔다.

포스텍에 따르면 이번 연구는 22일(현지 시각) 에너지 분야 국제 학술지인 '에너지 & 환경 과학' 앞 속표지 논문으로 실렸으며, 저널 파급력을 인정받아 편집진이 선정한 게재 상위 10%(Hot article)로 평가 받았다.

전기차 시장은 값싼 중국산 리듐 인산철(LFP) 배터리에 맞설 '가성비 좋은 차세대 소재'를 찾고 있는데 유력한 후보가 바로 '리튬 과잉 층상 구조 소재(LMRO)'다.

이 소재는 특히 값비싼 니켈과 코발트를 적게 쓰면서 애초의 니켈 기반 양극재보다 에너지를 20% 많이 담을 수 있어, '더 싸고 더 오래 달리는 배터리'를 만들 재료로 꼽힌다. 다만 치명적인 약점으로 충방전을 반복할수록 용량이 줄고 작동 전압마저 떨어졌다.
 
연구팀은 배터리가 수백 번 충방전하며 양극 소재 내부를 들여다봤다.

이 소재는 원래 리튬과 금속 알갱이들이 서로 다른 층을 이루며 벽돌 담처럼 가지런히 쌓여 있다. 그런데 충전을 거듭할수록 이 벽돌 담을 단단히 붙잡아주던 '산소'가 조금씩 빠져나가 리튬과 금속 알갱이들이 서로 넘나들며 뒤섞이기 시작했고, 결국 아무런 결국 규칙 없이 뒤엉킨 '무질서 암염 구조'로 변했다.

[포항=뉴시스] 포스텍 배터리공학과 홍지현 교수 연구팀이 차세대 전기 차 배터리 소재로 주목 받는 망간계 양극 소재의 수명 단축 원인을 밝혀내고, 오히려 약점을 성능으로 바꾸는 새로운 전략을 제시했다. 사진은 충전 깊이에 따른 리튬 과잉 층상 구조 소재(LMRO) 구조 변화 경로(a). 표면 안정화 전략을 적용하거나 고온에서 배터리를 구동하면 매 사이클 더 깊은 충전 상태에 도달해 양이온 무질서 구조가 유도되어 우수한 수명 특성으로 이어짐(b). (사진=포스텍 제공) 2026.09.28. [email protected]

연구팀은 '빠져나간 산소의 양'이 소재가 얼마나 뒤섞일지 결정하는 방아쇠라는 사실을 밝혀냈다.

또 배터리를 얼마나 높은 전압으로 충전하는 것이 산소가 빠져나가는 양을 조절할 수 있음을 확인했다. 그런데 반전이 여기서 일어났다. 산소가 빠져나가는 것이 배터리가 고장 나는 것처럼 보이지만 소재가 뒤섞이며 새로운 구조로 바뀌자, 리튬이 드나들 수 있어 용량이 늘어나는 뜻밖의 결과가 나타난 것.

실제로 산소가 빠지는 양을 정교하게 조절한 소재는 200번 넘도록 충방전을 거친 뒤에도 처음 성능의 98.4%를 유지하며 놀라운 내구성을 보인 것으로 전해졌다.

홍지현 교수는 "이번 연구는 산업적으로도 배터리 구동 온도나 표면 환경을 조절하면 배터리 열화를 늦추고 수명을 연장할 수 있다"며 "산소 손실을 조절해 무질서를 촉진하거나 억제해 용도에 맞는 차세대 전기차 배터리를 설계할 수 있을 것"이라고 밝혔다.
 
이번 연구는 산업통상자원부(한국산업기술기획평가원·한국산업기술진흥원), 과학기술정보통신부(한국연구재단), 한국전자통신연구원의 지원을 받았다.


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