[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국연구재단(NRF)은 성균관대학교 에너지과학과 김종순 교수팀이 한국과학기술연구원 홍지현 박사팀과 공동으로 리튬 과잉 층상형 양극 소재에서 발생하는 전압강하를 효과적으로 개선했다고 22일 밝혔다.
리튬 이온 전지(Lithium-ion battery)는 현재 소형 전자기기에서부터 전기자동차 및 대형 에너지 저장 시스템까지 다양하게 활용되고 있고 이는 한번 충전 후 장시간 동안 사용할 수 있는 높은 에너지밀도를 갖고 있기 때문이다.
그러나 기존 양극 소재들에서 리튬 이온을 사용할 때 전기적 중성을 유지하기 위해 전자를 제공해 줄 수 있는 전이금속을 사용하는 데 가용할 수 있는 리튬의 양이 전이금속의 수에 의해 제한되어 용량한계가 발생한다.
또 산소를 전기화학 반응에 참여시키는 것이 가능한 리튬 과잉 양극 소재는 용량한계를 넘어서 높은 에너지밀도를 달성할 수 있기 때문에 차세대 양극 소재로 주목받고 있지만 충방전 과정에서 전기화학 반응으로 인해 산화된 산소가 생성되어 주변 구조를 붕괴시키고 리튬의 가용을 방해하는 무질서한 구조로 변한다.
하지만 이러한 변화는 수명저하, 전압강하와 같은 실질적인 성능을 감소시켜 현재 상용화를 위해 해결해야 할 문제이다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 리튬 과잉 층상형 양극 소재에서 충방전 도중 생성되는 산화된 산소의 높은 불안정성으로 인해 발생하는 구조적 무질서화 및 전압강하를 개선했다.
연구과정을 보면 전기화학적 산화 및 환원 반응에 참여하지 않는 고정된 산화수를 가진 금속을 구조 내에 치환시켜 안정성이 뛰어난 양극 소재를 개발했다.
이러한 이종원소의 치환은 산화된 산소를 구조적 무질서화 없이 효과적으로 안정화시키는 것이 가능하고 반복적인 충방전에도 초기 구조가 유지되는 것을 실시간 X선 회절 분석 및 투과 전자 현미경 분석으로 확인했다.
또 제일원리계산이라는 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 통해 산소 주변으로 다양한 국부 환경이 만들어지게 되어 일부의 산소만이 선택적으로 산화 및 환원 반응에 참여해 안정성이 향상되었음을 확인했다.
이 연구결과에 의하면 새롭게 개발한 양극 소재는 안정화된 산소의 산화 및 환원을 바탕으로 가역적인 반응을 가능케 해 대조군 대비 뛰어난 성능을 보였으며 또한 300회의 반복적인 충방전 이후 초기용량 대비 83%의 유지율을 보여 향상된 특성을 달성했다.
이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구), 방사선고부가신소재개발사업 및 나노미래소재원천기술개발사업 등의 지원으로 수행됐고 에너지 신소재 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)에 10월 28일 게재됐다.