높은 에너지 밀도 가진 이차전지 양극소재 개발
리튬 과잉 양극 소재의 전압강하와 수명저하 원인 규명, 산소층 재배열로 단점 완화
□ 한 번 충전으로 서울과 부산을 왕복할 수 있는 전기차는 언제쯤 나올까. 차세대 자동차, 전기차 시장이 빠르게 성장하는 가운데 주행가능거리를 향상시키기 위한 대용량 리튬이온배터리* 배터리 개발연구가 활발하다.
※ 리튬이온배터리 : 리튬산화물로 된 양극에서 나온 리튬이온이 양극과 음극을 오가면서 전기를 만든다. 배터리 용량 향상을 위해서는 리튬이온이 많이 나오는 양극소재가 필요하며, 배터리 수명 향상을 위해서는 충,방전에도 구조변화가 적은 음극소재가 필요하다.
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 강기석 교수(서울대학교) 연구팀이 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압강하와 수명저하의 원인을 찾아내고, 이를 보완할 양극소재를 개발했다고 밝혔다.
※ 리튬 과잉 양극소재 : 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재. 산소층을 사이에 두고, 전이금속층과 리튬층이 번갈아 나타나는 구조로 전이금속층에도 리튬이 함유되어 있어, 가용 리튬의 양이 많아 높은 에너지밀도를 구현할 수 있음
□ 비싼 코발트 사용을 최소화할 수 있는 하이-니켈* 소재가 차세대 양극소재로 주목받고 있지만 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 소재에 비해서는 상대적으로 배터리 용량 향상에 한계가 있다.
※ 하이-니켈(NCM) : 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)이 포함된 층상구조의 기존 양극재에서 니켈 함량이 높은 소재. 일반적으로 니켈의 함량이 높아질수록 높은 에너지밀도를 보임.
○ 이에 연구팀은 니켈 함량을 높이는 대신 산소층을 사이에 두고 리튬이 함유된 전이금속*층과 리튬층을 번갈아 적층하는 방식의 리튬 과잉 양극소재를 개선하는 연구에 주력했다.
□ 연구팀은 충전과정에서 전이금속 이온이 리튬층 내 원래 자리를 이탈하고 복귀하지 않아 소재의 구조 붕괴를 야기, 결국 전압강하와 수명저하로 이어지는 것을 알아냈다.
○ 나아가 산소층 배열을 조절하면 전이금속의 이동을 억제할 뿐만 아니라 이동한 전이금속을 제자리로 복귀시킬 수 있음을 알아냈다.
□ 실제 산소층을 3회 이상씩 적층한 기존 형태(O3)에서 2회 이상씩 적층한 형태(O2)의 구조로 재배열한 양극신소재를 적용한 결과, 반복된 충·방전에도 초기의 재료구조가 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.
※ O3 : 구조내의 리튬을 둘러싸고 있는 산소층의 최소 반복 횟수가 3회인 적층형태.
※ O2 : 구조내의 리튬을 둘러싸고 있는 산소층의 최소 반복 횟수가 2회인 적층형태.
○ 이로 인해 전압강하의 범위도 기존 0.15V 이상에서 0.05V 이내로 3배 이상 완화시켰다. 40 사이클의 충·방전 이후에도 98.7%에 달하는 우수한 전압 안정성을 확인했다.
□ 과학기술정보통신부․한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제 학술지, 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 1월 21일 게재되었다.
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