구조적 안정성 강화로 리튬이온전지 양극소재 용량 향상
리튬 과잉 소재에서 고정 산화수 금속 치환을 통해 구조 변형 및 전압강하 억제
□ 리튬이온배터리에 사용되는 양극 소재의 용량한계를 돌파하기 위해 양극 소재로 주목받는 리튬 과잉 층상형*의 전압강하와 열악한 수명 특성을 개선시킨 연구결과가 나왔다.
※ 리튬 과잉 층상형 : 구조 내 전이금속에 비해 리튬을 과량으로 첨가한 차세대 양극 소재. 리튬과 전이금속 층이 구분되었던 기존 층상형과 달리 전이금속 층에도 리튬 이온이 존재하여 가용 용량이 증가해 높은 에너지밀도의 구현이 가능하다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김종순 교수(성균관대학교) 연구팀이 홍지현 박사(한국과학기술연구원) 연구팀과 리튬 과잉 층상형 양극 소재에서 발생하는 전압강하를 효과적으로 개선했다고 밝혔다.
○ 대조군 양극 소재 대비 방전과정에서 나타나는 전압강하를 46% 개선하여 안정적 에너지 저장과 수명향상을 달성했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구), 방사선고부가신소재개발사업 및 나노미래소재원천기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 신소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 10월 28일 게재(온라인)되었다.
□ 기존 소재는 전기적 중성을 유지하기 위해 전이금속의 양에 의해 가용할 수 있는 리튬 이온의 양에 제한이 있어 리튬 이온의 양을 일정 수준 이상으로 증가시키기 어려웠다. 전기에너지 저장 역할을 하는 리튬 이온의 양은 곧 배터리의 용량과 직결된다.
○ 이에 연구팀은 전이금속에 산소까지 더해 에너지 저장 반응을 할 수 있도록 하여 가용한 리튬 이온의 양을 증가시키고자 하였다.
□ 연구팀은 리튬 과잉 층상형 양극 소재에서 충방전 도중 생성되는 산화된 산소의 높은 불안정성으로 인해 발생하는 구조적 무질서화 및 전압강하를 개선시키고자 하였다.
○ 충방전이 진행됨에 따라 전이금속이 자리를 이탈, 인접한 리튬 층으로 이동하면서 전압강하, 수명저하가 발생하기 때문이었다.
□ 이를 해결하기 위해 구조 내 반응에 참여하지 않는 고정된 산화수의 원소를 치환했을 때 주변 산소를 효과적으로 안정화시켜 구조 변형이 억제되고, 음이온 산화 환원 반응의 안정성이 향상된다는 것을 확인하였다.
