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리튬이온 배터리 양극 균열에 대한 새로운 이해
배터리의 출력 밀도를 높이는 것은 내연기관차 대신 전기차를 선택하게 하는 핵심 요인입니다. 소비자 안전도 중요한 문제이지만, 화재 위험에 대한 대중의 인식은 실제보다 과장된 경우가 많습니다.
내구성도 그만큼 중요합니다. 구매자는 잔존 가치를 유지하고 비싼 교체 비용을 피하기 위해 10년 이상, 이상적으로는 차량보다 더 오래 사용할 수 있는 배터리를 원합니다.
“전기의 사회적 보급은 모두의 참여가 필요합니다. 사람들이 배터리가 안전하고 오래 지속된다고 믿지 않으면, 사용을 선택하지 않을 것입니다.”
이러한 요구를 충족하기 위해 업계는 다결정 니켈 고함량 소재(PC-NMC)에서 단결정 니켈 고함량 층상 산화물(SC-NMC)로 전환하고 있습니다.
이러한 전환은 시간이 지남에 따라 양극 균열을 일으키는 나노 규모의 변형을 줄이는 것을 목표로 합니다. 지금까지 단결정 양극 설계에는 다결정 양극에 적용하던 가정이 그대로 사용되었습니다.
그러나 아르곤 국립연구소, 브룩헤이븐 국립연구소, 시카고대학교 연구진은 두 양극 유형의 균열 방식이 근본적으로 다르다는 사실을 발견해 새로운 최적화 전략의 길을 열었습니다.
연구진은 연구 결과를 Nature Nanotechnology1에 ‘단결정 배터리 양극에서의 나노 규모 변형 진화’라는 제목으로 발표했습니다.
새로운 연구는 단결정(모노크리스털) Ni‑rich 양극이 기존 다결정 설계와 다르게 균열이 발생한다는 것을 보여줍니다. 입계가 아닌 단일 결정 내부에서 서로 다른 영역이 서로 다른 속도로 반응하면서 변형이 축적될 수 있습니다. 이는 전기차 배터리 내구성, 안전성 및 장기 성능을 개선하기 위해 양극을 재설계해야 함을 의미합니다—특히 산업이 저코발트(또는 코발트‑프리) 배합을 추구함에 따라 중요합니다.
양극 균열이 주요 고장 메커니즘인 이유
스크롤하려면 스와이프 →
| 구분 | 다결정 니켈 고함량 양극(PC-NMC) | 단결정 니켈 고함량 양극(SC-NMC) |
|---|---|---|
| 미세구조 | 입자들이 많은 작은 결정 입자와 입계로 구성됨. | 입자는 내부 입계가 없는 하나의 연속적인 결정으로 이루어짐. |
| 주요 균열 경로 | 충전·방전 시 입계가 팽창·수축하면서 균열이 시작·전파됨. | 입자 내부에서 반응 속도 차이로 인한 내부 변형 구배가 균열을 유발함. |
| 변형의 원인 | 인접 입자 간 팽창 불일치와 반복적인 기계적 피로. | 단일 결정 내부의 이질적인 상/화학 변화가 국부적 응력을 발생시킴. |
| 전해질 상호작용 위험 | 넓은 입계 균열이 전해질 침투를 허용해 열화 가속. | 표면·구조 손상에 여전히 취약하지만, 메커니즘은 입계 침투와는 무관함. |
| 조성 설계의 ‘경험 법칙’ | 코발트는 Li/Ni 무질서 완화에 자주 사용되지만, 균열과의 트레이드오프가 존재함. | 연구는 다른 조성 요구사항을 제시함; 망간은 기계적으로 더 해로울 수 있고 코발트는 내구성을 향상시킬 수 있음. |
| 공학적 개선 수단 | 입계 강화, 입자 형태 제어, 코팅, 전해질 첨가제. | 화학 조정, 코팅, 구배, 입자 가공, 사이클링 프로토콜을 통해 내부 반응 속도 이질성 감소. |
| 중요한 이유 | 용량 감소, 임피던스 상승, 공격적인 사이클링 시 안전성에 직접적인 영향. | SC 설계는 단순히 “입계가 없는 PC”가 아니라, 장수명·고에너지 셀을 위한 새로운 최적화 전략이 필요함을 보여줌. |
다결정 균열
다결정 양극은 여러 개의 나노 규모 결정으로 구성됩니다. 배터리가 충전되고 방전될 때 이 입자들은 팽창하고 수축합니다.
이러한 반복 운동은 다결정을 구분하는 입계를 넓혀 균열을 만들 수 있습니다. 균열이 지나치게 커지면 전해질이 입자 안으로 침투할 수 있는데, 이는 물이 얼고 녹는 과정에서 도로에 구멍이 생기는 것과 비슷합니다.
출처: Nature
이러한 팽창이 탄성 한계를 넘으면 양극에 균열이 생깁니다. 최악의 경우 열 폭주와 화재로 이어질 수 있습니다. 더 흔하게는 시간이 지나면서 배터리 충전 용량이 감소해 성능이 저하됩니다.
“보통 5~10% 정도의 부피 팽창 또는 수축을 겪습니다. 팽창이나 수축이 탄성 한계를 초과하면 입자 균열이 발생합니다.”
단결정 양극에는 결정립 사이의 경계가 없으므로 이러한 특정 고장 방식은 나타나지 않습니다. 하지만 배터리 열화 자체는 계속됩니다.
단결정 양극의 고유 특성
이를 조사하기 위해 연구진은 다중 규모 싱크로트론 X선 기법과 고해상도 투과전자현미경을 사용했습니다.
출처: Nature
다결정 양극에서 코발트는 Li/Ni 무질서(니켈 이온이 리튬층으로 이동하는 현상)를 완화하지만 균열을 유발하는 요인으로도 알려져 있습니다. 전통적으로는 이 문제의 균형을 맞추기 위해 망간을 첨가합니다.
아르곤 연구진은 단결정 양극에서는 정반대의 현상이 나타난다는 사실을 발견했습니다. 망간은 기계적으로 더 해로웠고, 코발트는 오히려 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 됐습니다.
“사람들은 단결정 양극으로 전환할 때 다결정 양극과 비슷한 설계 원칙을 따라왔습니다.
우리 연구는 단결정 입자의 주요 열화 메커니즘이 다결정 입자와 다르며, 그 결과 요구되는 조성도 달라진다는 점을 밝혔습니다.”
이 연구는 반응의 불균일성이 결정 사이가 아니라 개별 결정 내부에 변형을 일으킨다는 사실을 보여줍니다. 결정의 각 영역이 서로 다른 속도로 반응하면서 내부 응력이 발생하고, 이것이 균열로 이어집니다.
출처: Nature
이 발견이 차세대 배터리를 어떻게 개선할 수 있는가
코발트는 니켈이나 망간보다 비싸고 생산 과정의 윤리적 문제도 있어 업계는 사용량 감축을 추진하고 있습니다.
“이번 연구는 그동안 충분히 주목받지 못한 메커니즘을 규명함으로써 소재 조성과 열화 경로 사이의 직접적인 연관성을 확립하고, 이들 소재에서 성능 저하가 발생하는 원인에 대한 더 깊은 통찰을 제공합니다.”
다음 단계는 이 연구 결과를 적용해 비용 효율성을 유지하면서 균열 위험을 줄이는 무코발트 소재를 찾는 것입니다.
결론
양극 개선은 리튬 배터리 성능을 높이는 데 필수적인 단계입니다. 양극 효율이 무엇보다 중요한 차세대 무음극 설계에서는 특히 중요합니다.
이 혁신은 단결정 양극 설계를 최적화하기 위한 새로운 이론적 틀을 제공합니다. 궁극적으로 균열 위험과 비용을 크게 줄이는 무코발트 대안으로 이어질 수 있습니다.
이러한 발전은 QuantumScape (QS )처럼 특정 양극 소재에 구애받지 않는 배터리 개발사에 특히 유용합니다. 이 회사의 무음극 플랫폼은 다양한 양극 화학 조성을 지원하므로 핵심 전고체 기술을 다시 설계하지 않고도 내구성이 높은 단결정 설계를 빠르게 통합해 배터리 수명을 늘릴 수 있습니다.
배터리 기업
이 연구는 재료 수준의 내구성이 차세대 배터리의 주요 제한 요인이 되고 있음을 강화합니다. 단결정 양극이 다결정 양극과 다른 조성 트레이드오프를 요구한다면, 양극 화학, 코팅 및 가공을 빠르게 반복할 수 있는 공급업체와 셀 제조업체가 이득을 볼 수 있습니다.
고체‑상 및 무음극 접근법(예: QuantumScape)의 경우, 양극 신뢰성이 더욱 핵심이 되며, 비용을 희생하지 않고 더 내구성 높은 고에너지 양극을 상용화하려는 기업에 잠재적 상승 여력이 있습니다.
QuantumScape
QS 가격 차트
많은 소비자들은 대부분의 전기차 모델의 주행 거리와 충전 속도에 여전히 회의적입니다. 전통적인 리튬이온 배터리의 화재 위험도 우려 사항입니다.
고체‑상 배터리는 액체 전해질을 고체 전해질로 교체함으로써 화재 위험을 제거하고 에너지 밀도를 크게 높이는 이상적인 해결책을 제공합니다.
QuantumScape는 무음극 설계로 특히 혁신적입니다. 이는 여러 양극 소재를 통합할 수 있게 하여, 양극 제조 및 설계의 향후 개선으로부터 혜택을 받을 수 있는 위치에 회사를 놓습니다.
출처: QuantumScape
수년간 실험실에서의 느린 진전 이후, 고체‑상 배터리는 마침내 유망한 프로토타입 단계에서 대량 생산 및 상용 차량에 통합되는 단계로 이동하고 있습니다.
2025년에 QuantumScape는 Volkswagen과의 파트너십을 통해 Ducati V21L 전기 오토바이에 배터리를 탑재함으로써 중요한 이정표를 달성했습니다.
출처: QuantumScape
QuantumScape의 설계는 거의 모든 지표에서 리튬‑이온 배터리보다 현저히 우수합니다:
- 15분 만에 충전 가능 (45 ºC에서 10‑80%).
- 액체 전해질을 대체하는 분리막은 불연성 및 불연소성.
- 배터리 셀의 에너지 밀도는 844 Wh/L 및 301 Wh/kg.
- 참고로, Tesla의 4680 셀은 643 Wh/L 및 241 Wh/kg, BYD의 블레이드 셀은 약 375 Wh/L 및 160 Wh/kg에 해당합니다.
Volkswagen의 배터리 자회사 PowerCo는 특정 마일스톤 달성 시 향후 2년간 QuantumScape에 최대 1억 3100만 달러의 신규 지급을 제공하여 고체‑상 기술에 대한 그룹의 의지를 보여줍니다.
(전용 투자 보고서에서 QuantumScape에 대해 자세히 읽어보세요.)
최신 QuantumScape (QS) 주식 뉴스 및 개발
참조 연구
1. Wang, J., Liu, T., Huang, W. et al. Nanoscopic strain evolution in single-crystal battery positive electrodes. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02079-9
