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  • 기사등록 2020-01-21 15:50:01
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▲ 강기석 서울대 교수

국내 연구진이 전기차 주행거리 향상과 직결되는 리튬이온배터리 양극소재의 성능 저하 원인을 규명하고 고밀도 양극소재를 개발하는데 성공했다.

 

한국연구재단(이사장 노정혜)은 강기석 서울대 교수 연구팀이 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압강하와 수명저하의 원인을 찾아내고, 이를 보완할 양극소재를 개발했다고 21일 밝혔다.

 

리튬이온배터리는 리튬산화물로 된 양극에서 나온 리튬이온이 양극과 음극을 오가면서 전기를 만드는데, 배터리 용량 향상을 위해서는 리튬이온이 많이 나오는 양극소재가 필요하다. 현재 니켈 함량을 높여 비싼 코발트 사용을 최소화할 수 있는 하이-니켈(NCM:니켈·코발트·망간) 소재의 사용이 확대되고 있으나 이보다 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재가 차세대 양극재로 주목받고 있다.

 

리튬 과잉 양극소재는 산소층을 사이에 두고, 전이금속층과 리튬층이 번갈아 나타나는 구조로 전이금속층에도 리튬이 함유돼 있어, 가용 리튬의 양이 많아 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다. 그러나 전기화학 반응 시 발생 되는 물질 구조의 변화로 인해 수반되는 전압 강하 및 낮은 에너지 효율은 실질적 에너지를 크게 감소시켜 상용화를 저해하는 가장 큰 문제점으로 대두되고 있다.

 

이에 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. 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 안정성이 확인됐다.

 

강기석 교수는 이번 연구에서 개발한 양극재는 실용화될 경우, 고에너지 밀도가 필요한 전기자동차, ESS(에너지저장시스템) 등에 활용될 수 있다리튬 과잉 소재의 다른 문제인 산소 불안정성 문제도 함께 고민하여 차세대 양극재가 빠르게 상용화될 수 있도록 다방면의 연구를 진행할 예정이라고 밝혔다.

 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐으며 국제 학술지인 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)121일 게재됐다.


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