'무질서'한 양극 소재로 배터리 성능 높인다
구조 무질서 활용 양 소재의 전기화학 반응 최적화 방안 제시
□ 배터리 성능 혁신을 위한 새로운 방법론이 제시됐다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 강용묵 교수(고려대학교) 연구팀이구조 무질서*를 통해 알칼리 이온 배터리 양극 소재의 전기화학 반응을 최적화함으로써 배터리 성능을 높이는 새로운 연구 전략을 제시했다고 밝혔다.
* 구조 무질서 : 결정학으로 정의된 이상적인 결정구조에서 벗어난 모든 구조를 의미함.
□ 기존의 양극 소재 연구는 구조 무질서를 결함으로 치부하고 억제하려는 경향이 많았다. 그러나 이를 기반으로 한 양극 소재의 성능 개선은 이미 한계에 봉착해 돌파구가 필요한 상황이다.
○ 최근 양극 소재의 합성 과정 및 전기화학 반응이 진행되는 동안 형성되는 다양한 구조 무질서가 배터리 성능을 좌우하는 전기화학 반응의 개선과 밀접한 관련이 있다는 결과가 보고되고 있다.
○ 그러나 구조 무질서의 원인 및 전기화학 반응에 미치는 구체적인 영향에 대한 연구가 절대적으로 부족한 상황에서 현재 봉착해 있는 양극 소재의 성능 한계를 극복하기 위해서는 구조 무질서에 대한 연구가 무엇보다 우선되어야 한다는 게 학계의 중론이다.
□ 이에 연구팀은 기존 연구 사례에서 도입된 구조 무질서의 형태, 구조 무질서로 인해 향상된 전기화학 반응과 구조 무질서를 유발할 수 있는 6가지 화학적 원인(size effect, electrostatic interactions, super exchange interactions, Jahn-Teller effect, crystal field stabilization energy, oxygen evolution)을 정리했다.
○ 이를 기반으로 구조 무질서가 양극 소재의 전기화학 반응에 영향을 주는 메커니즘을 밝혀냈으며, 이를 통해 양극 소재의 전기화학 반응을 최적화하는 새로운 방법론도 제안했다.
□ 이번 연구를 통해 구조 무질서를 전기화학 반응을 최적화하기 위한 적극적인 설계 인자로 사용할 수 있게 된다면, 구조 무질서에 대한 선입견에서 벗어나 새로운 연구 기조를 형성하게 되는 것은 물론, 차세대 양극 소재 연구개발에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
□ 향후 연구 방향에 대해 강용묵 교수는 “구조 무질서와 양극 소재의 전기화학특성 사이에 밀접한 상관관계를 고려하면 다양한 구조 무질서를 유형별로 분류하는 명확한 기준이 필수적”이라며 “이와 함께 특정 구조에서 무질서를 얻기 위한 합성 방법 및 분석법의 개발이 선행되어야 한다”고 설명했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 및 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학분야 국제학술지 ‘네이쳐리뷰케미스트리(Nature Reviews Chemistry)’에 7월 2일 게재되었다.
