서울대 강기석 교수팀, 고밀도 이차전지 양극소재 개발

최태우 기자 / 기사승인 : 2020-01-21 15:24:16
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[IT비즈뉴스 최태우 기자] 전세계적으로 전기차(EV) 시장이 성장하는 가운데 주행가능거리를 향상시키기 위한 대용량 리튬이온배터리에 대한 연구가 활발하다. 고효율 이차전지 핵심요소인 소재개발이 활발한 가운데 국내 연구진이 수명저하를 늦출 수 있는 양극소재 개발에 성공했다.

한국연구재단은 서울대학교 강기석 교수 연구팀이 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압강하와 수명저하의 원인을 찾아내고 이를 보완할 양극소재를 개발했다고 밝혔다.

가격이 비싼 코발트 사용을 최소화할 수 있는 하이-니켈(NCM) 소재가 차세대 양극소재로 주목받고 있다.

▲ 산소층 배열 조절을 통하여 가역적인 전이금속 이동을 유도
하이-니켈 소재는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)이 포함된 층상구조의 기존 양극재에서 니켈 함량이 높은 소재로 높은 에너지 밀도를 보유하고 있으나 리튬 과잉 소재에 비해서는 상대적으로 배터리 용량 개선에는 한계가 있었다.

강기석 박사 연구팀은 니켈 함량을 높이는 대신 산소 층을 사이에 두고 리튬이 함유된 전이금속층과 리튬층을 번갈아 적층하는 방식의 리튬 과잉 양극소재를 개선하는 데 주력했다.

연구팀은 충전과정에서 전이금속 이온이 리튬 층 내 원래 자리를 이탈하고 복귀하지 않아 소재의 구조 붕괴를 야기하면서 전압강하와 수명저하로 이어지는 구조를 발견했다. 특히 산소 층 배열을 조절하면 전이금속의 이동을 억제하면서 이동한 전이금속을 제자리로 복귀시킬 수 있음도 확인했다.

실제 산소 층을 3회 이상씩 적층한 기존 형태(O3)에서 2회 이상씩 적층한 형태(O2)의 구조로 재배열한 양극신소재를 적용한 결과, 반복된 충방전에도 초기의 재료구조가 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

▲ (왼쪽부터) 서울대학교 재료공학부 강기석 교수(교신저자), 음동건 연구원(공동1저자), 김병훈 연구원(공동1저자) [사진=한국연구재단]
실험 결과 전압강하의 범위도 기존 0.15V 이상에서 0.05V 이내로 3배 이상 완화시켰고 40 사이클의 충방전 이후에도 98.7%에 달하는 안정성을 확인했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업의 일환으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제 학술지 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 21일자 게재됐다.

 

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