리튬 과량 층상구조 물질의 국부 조절 통해 고밀도 양극 소재 개발
국내 연구진이 비싼 금속을 사용하지 않고도 수백 사이클*1 동안 안정적으로 충·방전이 가능한 고용량 양극 소재를 개발했다. 리튬 전지로 장거리를 운행할 수 있는 전기자동차를 만날 수 있는 날이 한층 가까워졌다.
신소재공학과 강병우 교수, 이정화 박사 연구팀은 차세대 고용량 양극재로 주목받고 있는 리튬 과량(Li-rich) 층상구조 물질*2의 합성법 조절을 통해서 500사이클 이상 충·방전이 안정적으로 유지되는 고에너지 밀도의 양극 소재를 개발하는 데 성공했다. 이 연구 성과는 미국화학협회 에너지 분야 학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 게재됐다.
전기자동차 주행거리와 충·방전 사이클은 리튬 이차 전지의 양극 소재의 특성에 의해 결정된다. 양극에서 나온 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 전기를 만드는데, 리튬 과량 층상구조 양극 소재의 경우에 많은 양의 리튬이 탈리(脫離)*3, 삽입되는 과정에서 사이클 수가 급격하게 저하된다. 특히, 높은 충전 상태에서 많은 양의 리튬이 탈리되고 산소 반응이 일어나게 되면, 구조적인 붕괴가 일어나게 되고 이후 충·방전 특성과 고에너지 밀도를 유지할 수 없게 된다. 이로 인해서 사이클 특성이 저하되는 것이 상용화에 걸림돌이 됐다.
리튬 과량 층상구조 물질에서 전이 금속과 리튬 층 사이 원자의 불규칙한 분포 형태가 전기화학 반응 활성화 및 사이클 특성에 중요한 요인임을 밝힌바 있는 연구팀은 합성 조건을 조절하는 후속 연구를 실시했다. 이때 기존 발표가 되었던 고상법을 이용하여 최적화된 원자의 분포 형태를 가지는 양극 소재를 구현할 수 있는 간단하고 효율적인 새로운 공정법을 개발했다.
그 결과, 합성된 리튬 과량 층상구조 물질은 전기화학적 활성도와 사이클 특성의 관점에서 최적화된 국부 구조를 가지게 되어 많은 양의 리튬을 가역적으로 사용할 수 있고, 수백 사이클 동안 산소 이온의 반응도 안정적이고 가역적으로 구동됨을 확인했다.
이러한 최적화된 조건으로 비싼 가격의 코발트가 포함되지 않은 조성으로 합성된 리튬 과량 층상구조 물질은 기존 상용화된 고니켈 층상구조 물질(ex. LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2)의 에너지 밀도인 600Wh/kg보다 180% 이상 증가한 1,100Wh/kg 가역 에너지를 구현할 수 있다. 특히, 많은 양의 리튬이 빠지더라도 안정적인 구조를 유지할 수 있게 되어 100사이클 동안 95% 정도의 용량을 유지할 수 있다. 또한, 500사이클 동안 83% 정도의 용량을 유지해 수백 사이클 동안 안정적인 고에너지를 유지할 수 있는 획기적인 성능을 기대할 수 있다.
강병우 교수는 “이번 연구 성과는 차세대 고용량 리튬 과량 층상구조 양극의 중요한 이슈 중 하나인 사이클 특성을 비교적 간단한 공정 변화를 통해서 획기적으로 개선했다는 점, 그리고 이를 통해 차세대 리튬 과량 층상구조 양극 소재가 실제 상용화에 적용하는데 한 걸음 더 다가섰다는 점에 의미가 있다”라고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견 연구자 지원 사업 및 방사선 기술 개발 사업 지원을 받아 진행됐다.
■ 용어 정보
1. 사이클
배터리가 완전히 충전된 상태에서 방전된 다음, 다시 완전히 충전될 때까지의 화학 작용.
2. 리튬 과량(Li-rich) 층상구조 물질
기존의 층상 구조 물질보다 리튬의 양이 니켈(Ni), 망간(Mn) 등의 전이금속보다 많이 포함된 층상구조를 가지는 양극재. 따라서, 고에너지 밀도를 구현할 수 있음.
3. 탈리(脫離)
화합물 구조 내에서 리튬 이온이 추출되는 현상.
-출처: POSTECH 연구성과
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