한 번 충전으로 서울과 부산을 왕복할 수 있는 전기차는 언제쯤 나올까.

한국연구재단은 강기석 교수(서울대) 연구팀이 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압강하와 수명저하의 원인을 찾아내고, 산소층 재배열로 단점을 보완할 양극소재를 개발했다고 밝혔다.

니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)이 포함된 층상구조의 기존 양극재에서 니켈 함량이 높고 비싼 코발트를 최소화한 하이-니켈 소재가 차세대 양극소재로 주목받고 있지만 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 소재에 비해서는 상대적으로 배터리 용량 향상에 한계가 있다.

산소층 배열 조절을 통하여 가역적인 전이금속 이동을 유도.
(a) 기존 O3 형태의 산소층 배열을 가진 재료에서는 충전 시 전이금속이 리튬층 내에서 움직일 수 있다. 이는 충방전 시 재료 구조변화의 가역성을 크게 저해하고, 전압 강하, 히스터리시스 등의 성능 저하로 이어진다.
(b) 산소층의 배열을 O2 형태로 바꿈으로써, 특정 리튬자리를 불안정하게 만들 수 있었다. 이를 통해 리튬층 내 전이금속의 이동을 억제하고, 충방전 시 재료 구조변화의 가역성을 비약적으로 향상시킬 수 있었다. credit : 서울대 강기석 교수.

이에 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.

신소재의 충방전시 가역적인 구조변화로 인한 전기화학적 성능 향상.
(a) 산소층 배열을 바꾼 신소재는, 40 사이클 동안 0.05 V이내의 굉장히 작은 전압 강하를 보였다. 이로 인해, 기존 소재 (40 사이클, 550 Wh kg-1)에 비해 훨씬 더 높은 에너지 밀도 (40 사이클, 599.6 Wh kg-1)를 얻었다.
(b) 전기화학적 성능 향상이 구조변화의 가역성에서 기인한다는 것을 STEM (scanning transmission electron microscopy) 관찰을 통해 직접적으로 증명하였다. 전이금속은 충전 시 리튬층으로 이동하고, 방전 시 가역적으로 원래 자리로 복귀한다. 이는 리튬 과잉의 양극재에서 전이금속의 가역적인 움직임을 형상화한 최초의 보고이다.
(c) 방전 시 전이금속의 빠른 복귀가 전압 히스터리시스를 감소시킨 다는 것을 mRIXS(mapping of resonant inelastic X-ray scattering)라는 고도화된 분석장비를 통하여 확인하였다. 충방전 시 음이온의 산화환원이 각각 다른 전압대에서 발생하는 기존 소재와 달리, 고전압 대에서 대칭적으로 음이온 산화환원이 발생하였다. credit : 서울대 강기석 교수.

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.

과학기술정보통신부․한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제 학술지, 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 1월 21일 게재됐다.

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

*저 자
석박사통합과정(공동1저자, 서울대), 강기석 교수, 김병훈․음동건 석박사통합과정

*용어설명

리튬이온배터리

리튬산화물로 된 양극에서 나온 리튬이온이 양극과 음극을 오가면서 전기를 만든다. 배터리 용량 향상을 위해서는 리튬이온이 많이 나오는 양극소재가 필요하며, 배터리 수명 향상을 위해서는 충,방전에도 구조변화가 적은 음극소재가 필요하다.

리튬 과잉 양극소재

리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재. 산소층을 사이에 두고, 전이금속층과 리튬층이 번갈아 나타나는 구조로 전이금속층에도 리튬이 함유되어 있어, 가용 리튬의 양이 많아 높은 에너지밀도를 구현할 수 있음