강기석 서울대 교수 연구팀, 리튬 과잉 양극 소재 개선 연구...네이처 머티리얼즈에 게재

한 번 충전으로 서울에서 부산까지 왕복할 수 있는 전기자동차 배터리가 나올 날도 머지 않았다. 국내 연구진은 최근 전기차에 들어가는 ‘리튬-이온’ 배터리의 성능을 향상시킬 수 있는 고(高) 에너지 밀도의 전극소재를 개발했다.

강기석 서울대학교 재료공학부 교수 연구팀은 21일 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 ‘리튬 과잉 양극(+) 소재’ 개선 연구 결과를 발표했다.

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기존 리튬 과잉 양극 소재(a)의 3회 산소층 배열의 경우 전이금속이 움직인다. 이에 산소층 배열을 2회로 바꾼 경우(b) 전이금속의 이동을 억제할 수 있는 것으로 나타났다. /한국연구재단 제공
현재 전기차 배터리에 사용되고 있는 양극 소재는 ‘하이니켈’ 소재가 대부분이다. 이 하이니켈 양극소재는 니켈, 코발트, 망간이 여러 겹 쌓인 층상 구조를 갖고 있으며, 우리나라 2차전지 기업과 일본 기업들이 세계적 기술 우위를 점하고 있다.

그러나 하이니켈 양극소재를 사용한 리튬-이온 배터리는 용량 증가, 고효율 에너지 확보 등 면에서 한계를 드러내고 있다. 이에 따라 그동안 소재 과학 분야에서는 이러한 하이니켈 양극소재의 단점을 해결할 수 있는 대안으로 리튬 과잉 소재가 떠올랐다. 두 소재는 구조가 다르다.

리튬 과잉 양극 소재는 양극 내 리튬의 사용량이 몰릴 수 있도록 전극 구조 내 산소층을 3회 추가한 것이 특징이다. 다만, 리튬 과잉 양극 소재는 전기가 발생할 시 양극 내 물질 구조가 붕괴돼 배터리 수명이 짧고, 사용할 수록 전압이 떨어진다.

연구팀은 이번 연구에서 기존 리튬 과잉 양극 소재가 갖고 있는 구조 붕괴와 전압 강하 문제가 소재 내 구조에서 발생한다는 사실을 밝혀냈다. 산화환원 반응을 빨리하기 위해 배터리에 넣는 전이금속이 비대칭적으로 움직이면서 구조가 무너진 것이다.

연구팀은 이 구조 붕괴를 막기위해 산소층의 배열을 재구성했다. 산소층을 사이에 두고 리튬이 함유된 전이금속층과 리튬층을 번갈아 쌓는 구조를 만들었다. 산소층을 기존 3회에서 2회로 바꾼 형태다. 적층 구조로 인해 전이금속 이온의 이탈이 억제되고, 일부 이탈하더라도 제자리로 복귀한다는 사실을 확인했다.

실제 기존 리튬 과잉 양극 소재와 새로 만든 2회 적층 구조로 된 양극 소재를 비교한 결과, 반복된 배터리 충·방전에도 초기 재료구조가 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다. 이로 인해 전압강하의 범위도 기존 0.15V 이상에서 0.05V 이내로 3배 이상 완화됐다.

강 교수는 "이번 연구처럼 재료의 구조를 조절하는 데 더해, 재료의 화학 조성을 최적화한다면 소재의 전기화학적 특성을 더욱 향상시킬 가능성이 있다"며 "리튬과잉 소재의 다른 문제인 산소 불안정성 문제도 함께 고민해 차세대 양극재가 빠르게 상용화될 수 있도록 연구를 진행할 예정"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업의 지원을 받았다.

http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=001&oid=366&aid=0000467388

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