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한국연구재단, 이차전지 양극소재 기술적 난제 ‘전압강하·수명저하’ 해결

[대전세종충남=아시아뉴스통신] 이기종기자 송고시간 2020-01-22 10:54

에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압강하와 수명저하의 원인을 찾아내고 이를 보완할 양극소재를 개발한 서울대 강기석 교수팀 연구는 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 1월 21일 게재됐다.(자료출처=네이처 머티리얼즈/제공=서울대 강기석 교수팀)


[아시아뉴스통신=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 서울대학교 재료공학부 강기석 교수 연구팀이 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압강하와 수명저하의 원인을 찾아내고 이를 보완할 양극소재를 개발했다고 22일 밝혔다.
 
리튬이차전지 기술이 성공적으로 실생활에 활용됨에 따라 높은 에너지 밀도를 갖는 에너지 저장 장치에 대한 수요가 급증했지만 상용되고 있는 기존 층상 구조의 양극재는 에너지밀도 측면에서 한계가 명확한 게 현실이다.
 
또 국내 이차전지 기업과 일본 기업들이 세계적인 기술적 우위를 보이고 있는 하이-니켈 NCM 소재는 향후 용량증가에 한계가 뚜렷이 나타나고 있는 상황이며 중국 등 추격 기업들에 대한 지속적인 기술적 우위를 점유하기가 어려운 상황이다.
 
이 하이-니켈 NCM 소재는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)이 포함된 층상구조의 기존 양극재에서 니켈 함량이 높은 소재이며 일반적으로 니켈의 함량이 높아질수록 높은 에너지 밀도를 보이고 있다.
 
최근 리튬 과잉의 양극재는 기존 양극재와 달리 전이금속뿐 아니라 산소 음이온의 전기화학 특성 발현이 가능해지는 것이 보고되면서 하이-니켈 NCM 소재를 능가하는 높은 에너지밀도가 가능한 새로운 돌파구 소재로 현재까지 전 세계적으로 많은 연구가 치열한 경쟁을 통해 진행되고 있다.

그러나 전기화학 반응 시 발생 되는 물질 구조의 변화는 구조를 붕괴시켜 수명 및 특성 저하를 야기한다.
 
특히 수반되는 전압 강하와 낮은 에너지 효율은 실질적 에너지를 크게 감소시켜 차세대 양극재의 상용화를 저해하는 가장 큰 문제점으로 대두되고 있다.
 
에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압강하와 수명저하의 원인을 찾아내고 이를 보완할 양극소재를 개발한 서울대 강기석 교수팀 연구는 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 1월 21일 게재됐다.(자료출처=네이처 머티리얼즈/제공=서울대 강기석 교수팀)

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 니켈 함량을 높이는 대신 산소층을 사이에 두고 리튬이 함유된 전이금속층과 리튬층을 번갈아 적층하는 방식의 리튬 과잉 양극소재를 개선하는 연구에 주력했다.
 
리튬 과잉 양극소재는 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 있다.
 
연구과정을 보면 연구팀은 충전과정에서 전이금속 이온이 리튬층 내 원래 자리를 이탈하고 복귀하지 않아 소재의 구조 붕괴를 야기해 결국 전압강하와 수명저하로 이어지는 것을 알아냈다.
 
이후 산소층 배열을 조절하면 전이금속의 이동을 억제할 뿐만 아니라 이동한 전이금속을 제자리로 복귀시킬 수 있음을 관찰했다. 
 
또 실제 산소층을 3회 이상씩 적층한 기존 형태(O3)에서 2회 이상씩 적층한 형태(O2)의 구조로 재배열한 양극신소재를 적용한 결과로 반복된 충·방전에도 초기의 재료구조가 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.
 
이 연구결과에 의하면 전압강하의 범위도 기존 0.15V 이상에서 0.05V 이내로 3배 이상 완화시켰다.

또 40번 사이클의 충·방전 이후에도 98.7%에 달하는 우수한 전압 안정성을 보였다.
 
강기석 교수는 “비슷한 산소음이온 활성 기반 소재의 개발에 있어 전이금속 이동 제어가 소재 안정화와 고에너지 밀도화에 있어 나아가야할 새로운 연구 방향임을 제시했다는 데 큰 의의가 있다”고 말했다.
 
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐고 국제 학술지 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 1월 21일 게재됐다.
 


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