서울대 강기식 교수, 에너지밀도 높은 양극 소재 개발

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

리튬 과잉 양극소재는 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재로 산소층을 사이에 두고, 전이금속층과 리튬층이 번갈아 나타나는 구조로 가용 리튬의 양이 많아 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다.

비싼 코발트 사용을 최소화할 수 있는 하이-니켈 소재가 차세대 양극소재로 주목받고 있지만 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 소재에 비해서는 상대적으로 배터리 용량 향상에 한계가 있다.

하이-니켈(NCM)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)이 포함된 층상구조의 기존 양극재에서 니켈 함량이 높은 소재로, 일반적으로 니켈의 함량이 높아질수록 높은 에너지밀도를 보인다.

연구팀은 니켈 함량을 높이는 대신 산소층을 사이에 두고 리튬이 함유된 전이금속층과 리튬층을 번갈아 적층하는 방식의 리튬 과잉 양극소재를 개선하는 연구에 주력했다.

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 안정성을 확인했다.

이번 연구의 결과는 국제 학술지, 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 1월 21일 게재되었다.

(논문명 : Voltage decay and redox asymmetry mitigation by reversible cation migration in lithium-rich layered oxide electrodes)