[더테크 뉴스]  리튬이온배터리에 사용되는 양극 소재의 용량한계를 돌파하기 위해 양극 소재로 주목받는 리튬 과잉 층상형의 전압강하와 열악한 수명 특성을 개선시킨 연구결과가 나왔다.

리튬 과잉 층상형이란 구조 내 전이금속에 비해 리튬을 과량으로 첨가한 차세대 양극 소재를 말한다. 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 지난 10월 28일 게재 됐다.

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.

새롭게 개발한 양극 소재는 안정화된 산소의 산화/환원을 바탕으로 가역적인 반응을 가능케 해 대조군 대비 뛰어난 성능을 보였으며, 또한 300회의 반복적인 충방전 이후 초기용량 대비 83%의 유지율을 보여 향상된 수명특성을 달성했다.

특히 구조적 무질서화는 리튬의 가용을 방해하여 양극의 충방전 횟수가 증가함에 따라 점차 작동 전압이 감소하는 결과를 야기하는데, 대조군 양극 소재 대비 46% 개선된 전압강하를 보여 장기간 사용에서도 안정적인 반응이 가능함을 확인했다.

기존 양극 소재의 용량한계를 돌파하기 위해 리튬 과잉 층상형 양극 소재에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있는 가운데, 구조 변형에 따른 성능저하는 반드시 해결해야할 과제이다.

이번에 연구팀이 개발한 신규 양극 소재는 이러한 단점을 개선시켜 안정적인 산소의 산화/환원을 가능하게 하였으며 구조적 무질서화가 억제되는 메커니즘을 다양한 실험 및 분석을 통해 규명하였다.

이러한 연구 결과는 리튬 과잉 층상형 양극 소재에서 산소의 주변 환경을 제어하여 안정성을 향상시키는 방법을 제시했다는 점에 큰 의의가 있으며, 지속적인 연구를 통해 실제 적용을 기대할 수 있다는 측면에서 높은 잠재력을 지니고 있다.