이웃집과학자

요약

• 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압강화와 수명 저하의 원인을 찾아내고 이를 보완할 양극소재를 개발했습니다.
• 리튬산화물로 된 양극에서 나온 리튬이온이 양극과 음극을 오가면서 전기를 만듭니다. 
• 배터리 용량 향상을 위해서는 리튬이온이 많이 나오는 양극소재가 필요하며 배터리 수명 향상을 위해서는 충,방전에도 구조변화가 적은 음극소재가 필요합니다.  

서울대학교 강기석 교수 연구팀이 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압강화와 수명 저하의 원인을 찾아내고 이를 보완할 양극소재를 개발했다고 합니다. 이번 연구는 <Nature Materials >에 게재됐습니다.

한 번 충전으로 서울과 부산을 왕복할 수 있는 전기차는 언제쯤 나올까요. 차세대 자동차, 전기차 시장이 빠르게 성장하는 가운데 주행 가능거리를 향상시키기 위한 대용량 리튬이온배터리 개발 연구가 활발합니다. 

• 리튬이온배터리

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

비싼 코발트 사용을 최소화할 수 있는 하이-니켈 소재가 차세대 양극소재로 주목받고 있지만 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 소재에 비해서는 상대적으로 배터리용량이 적습니다. 참고로 하이-니켈(NCM)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)이 포함된 층상구조의 기존 양극재에서 니켈 함량이 높은 소재인데요. 일반적으로 니켈의 함량이 높아질수록 높은 에너지밀도를 보입니다.

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

연구팀은 충전과정에서 전이금속 이온이 리튬층 내 원래 자리를 이탈하고 복귀하지 않아 소재의 구조 붕괴를 야기하고 결국 전압강하와 수명저하로 이어지는 것을 알아냈습니다. 나아가 산소층 배열을 조절하면 전이금속의 이동을 억제할 뿐만 아니라 이동한 전이금속을 제자리로 복귀시킬 수 있음을 알아냈습니다.

실제 산소층을 3회 이상씩 적층한 기존 형태(O3)에서 2회 이상씩 적층한 형태(O2)의 구조로 재배열한 양극신소재를 적용했는데요. 그 결과 반복된 충·방전에도 초기의 재료구조가 안정적으로 유지되는 것을 확인했습니다.

• O3 : 구조내의 리튬을 둘러싸고 있는 산소층의 최소 반복 횟수가 3회인 적층형태.
• O2 : 구조내의 리튬을 둘러싸고 있는 산소층의 최소 반복 횟수가 2회인 적층형태.

이로 인해 전압강하의 범위도 기존 0.15V 이상에서 0.05V 이내로 3배 이상 완화시켰습니다. 40 사이클의 충·방전 이후에도 98.7%에 달하는 우수한 전압 안정성을 확인했습니다.

이번에 개발한 신소재는 산소 음이온의 전기화학적 활성이 차세대 리튬 과량 양극재에서 가용 가능한 전략임을 확인했다는 점에서 고무적입니다. 또한 비슷한 산소음이온 활성 기반 소재의 개발에 있어 전이금속 이동 제어가 소재를 안정시키는 점과 고에너지 밀도화의 새로운 연구 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있습니다.

본 연구에서 개발한 양극재는 실용화될 경우, 고에너지 밀도가 필요한 전기자동차, ESS(Energy Storage System)등에 활용될 수 있을 전망인데요. 리튬과잉 소재의 상용화를 위해서는 합성 공정의 효율성, 탭 밀도 향상 등이 더 필요할 것으로 보입니다. 또한, 고전압 대에서 산소의 안정성을 높이는 것도 우수한 수명특성을 얻기 위해 여전히 남아있는 과제입니다.

##참고자료##

• 음동건 et al., "Voltage decay and redox asymmetry mitigation by reversible cation migration in lithium-rich layered oxide electrodes", Nature Materials(2020)