KAIST, 전기차용 하이니켈 배터리 성능 저하의 근본 원인 세계 최초 규명

성능 향상 위해 넣던 전해질 첨가제가 오히려 배터리 열화 촉진…니켈-니트릴 강결합 메커니즘 밝혀내

KAIST 연구진이 전기차용 하이니켈 배터리가 빠르게 성능을 잃는 이유를 세계 최초로 밝혀냈다. 높은 에너지 밀도를 강점으로 삼는 하이니켈 배터리는 차세대 전기차 핵심 소재로 각광받아 왔지만, 반복 충·방전 과정에서 급격히 열화되는 구조적 한계가 지적돼 왔다. KAIST 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀과 신소재공학과 서동화 교수 연구팀은 그동안 배터리 안정성을 높이기 위해 널리 사용해 온 전해질 첨가제 ‘석시노니트릴(CN4)’이 하이니켈 배터리에서는 오히려 성능 저하를 일으키는 주요 원인이라는 사실을 규명했다. 연구 결과는 국제 학술지 ACS Energy Letters에 게재되며 커버 논문으로 선정됐다.

연구팀은 CN4가 하이니켈 양극 표면의 니켈 이온과 지나치게 강하게 결합해 배터리 계면을 안정적으로 유지해야 할 전기이중층을 무너뜨린다는 점을 확인했다. 니트릴 구조는 금속 이온과 결합하는 성향이 강한데, 이 특성이 하이니켈 양극에서는 부작용을 유발한다. CN4가 양극 표면에 달라붙으면 양극의 전자밀도가 급격히 낮아지고, 니켈 산화물 구조가 얀-텔러 왜곡을 일으키며 비정상적으로 뒤틀린다. 이 과정에서 양극에서 분리된 니켈 이온은 전해질을 거쳐 음극 표면으로 이동해 촉매처럼 부반응을 일으키며 전해질 분해를 가속시키고, 리튬까지 소모시키는 열화 연쇄를 만든다. 결국 양극 표면은 니켈 결핍층으로 변하고, 층상 구조가 ‘암염(rock-salt) 구조’로 전환되는 비가역적 변형이 나타난다. 이는 하이니켈 배터리에서 반복적으로 관찰되어 온 급격한 용량 저하와 수명 단축의 핵심 원인으로 분석됐다.

연구진은 충·방전 중 이뤄지는 구조 변화를 실시간으로 관찰하는 XRD 분석, 분자 단위 변화를 확인하는 XPS·EELS 분석, 구조 붕괴를 보여주는 TEM 이미지 등을 활용해 CN4가 유발하는 구조적·화학적 변화를 정밀하게 입증했다. 하이니켈 양극을 사용한 전지에서 CN4를 포함한 전해질을 적용했을 때, 초기 몇 백 사이클 내에 방전 용량이 급격히 감소하고 충전 과전압이 빠르게 상승하는 특징이 반복적으로 확인됐다. 60℃ 고온에서 충전 상태로 보관하는 조건에서도 전압 급락과 용량 유지율 저하가 뚜렷하게 나타났으며, 음극 표면에는 양극에서 용출된 니켈이 상당량 전착된 것이 확인되었다. 이러한 실험 결과는 CN4가 하이니켈 배터리의 양극·음극 계면 모두에 부정적 영향을 미치며 열화를 촉진한다는 점을 일관되게 보여준다.

최남순 교수는 이번 연구가 “분자 수준의 정밀한 상호작용 이해를 통해 새로운 전해질 첨가제 설계 방향을 제시했다”고 설명했다. 기존에는 전극 표면에 보호막을 형성하는 방식으로 안정성을 확보하려는 접근이 주로 시도되었지만, 이번 분석을 통해 금속 이온과 전해질 분자 사이의 오비탈 상호작용이 배터리 열화에 직접적인 영향을 미친다는 사실이 밝혀진 것이다. 연구진은 이번 성과를 기반으로 하이니켈 배터리용 신규 전해질 첨가제 개발을 본격적으로 추진할 계획이다. 이번 연구는 삼성SDI의 지원을 받아 수행됐다.

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