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성균관대학교, 리튬 과잉 층상형 양극 소재서 발생하는 전압강하 개선 정하나 기자 2021-12-31 17:32:51

(사진. 한국연구재단)

 

한국연구재단은 성균관대학교 김종순 교수 연구팀이 한국과학기술연구원 홍지현 박사 연구팀과 리튬 과잉 층상형 양극 소재에서 발생하는 전압강하를 효과적으로 개선했다고 밝혔다. 양 연구원이 개발한 리튬 과잉 층상형은 구조 내 전이금속에 비해 리튬을 과량으로 첨가한 차세대 양극 소재로 리튬과 전이금속 층이 구분됐던 기존 층상형과 달리 전이금속 층에도 리튬 이온이 존재하여 가용 용량이 증가해 높은 에너지밀도의 구현이 가능하다.

 

기술 개요
리튬이온배터리는 우수한 성능을 바탕으로 현재 소형 전자기기에서부터 전기자동차 및 대형 에너지 저장 시스템까지 다양하게 활용되고 있다. 이에 따라 한번 충전 후 장시간 동안 사용할 수 있는 높은 에너지밀도를 갖는 리튬이온배터리에 대한 수요가 점차 증가하고 있는 상황이다. 


현재 NCM을 필두로한 층상형 양극 소재들에 대한 연구 개발이 활발히 이뤄지고 있지만, 에너지밀도 향상에 어려움이 있다. 기존 양극 소재들에서 리튬 이온을 사용할 때, 전기적 중성을 유지하기 위해 전자를 제공해 줄 수 있는 전이금속을 사용하는 것이 일반적인 패러다임이었다. 이에 따라 가용할 수 있는 리튬의 양이 전이금속의 수에 의해 제한되어 용량한계가 발생한다. 


이에 산소를 전기화학 반응에 참여시키는 것이 가능한 리튬 과잉 양극 소재는 용량한계를 넘어서 높은 에너지밀도를 달성할 수 있기 때문에 차세대 양극 소재로 주목받고 있다. 


그러나 충방전 과정에서 전기화학 반응으로 인해 산화된 산소가 생성돼 주변 구조를 붕괴시키고, 리튬의 가용을 방해하는 무질서한 구조로 변한다. 이러한 변화는 수명 저하 및 전압강하와 같은 실질적인 성능을 감소시켜 현재 상용화를 위해 해결해야 할 문제로 남아있는 실정이다. 

 

연구 내용
연구팀은 리튬 과잉 양극 소재를 상용화하기 위해 전기화학적 산화/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 안정화 시키는 것이 가능하여 반복적인 충방전에도 초기 구조가 유지되는 것을 실시간 X선 회절 분석 및 투과 전자 현미경 분석으로 확인했다. 또한 제일원리계산이라는 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 통해 산소 주변으로 다양한 국부 환경이 만들어지게 돼, 일부의 산소만이 선택적으로 산화/환원 반응에 참여하여 안정성이 향상됐음을 확인했다. 


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 방해해 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. 

 

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


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


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

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