▲ 원자 배열 무질서 설계를 통한 층간 슬라이딩 억제와 구조 안정성 향상 / 원자가 규칙적으로 배열된 리튬 과잉 층상 산화물에서는 충전 과정에서 전이금속 이동과 층간 슬라이딩이 발생해 구조 붕괴로 이어질 수 있다. 반면 전이금속 배열을 불규칙하게 섞은 구조에서는 이러한 슬라이딩이 억제돼 전이금속-산소 결합 네트워크가 안정적으로 유지된다. 그 결과 전압 히스테리시스와 에너지 손실이 줄어들고, 장기적 수명도 개선됐다.(그림 및 설명=UNIST)   © 특허뉴스

차세대 고에너지 밀도 배터리의 핵심 소재로 주목받는 ‘리튬 과잉 층상 산화물’ 양극재의 구조 붕괴 문제를 해결할 수 있는 새로운 설계 전략이 국내 연구진에 의해 제시됐다. 원자 배열을 일부러 무질서하게 만드는 방식으로 배터리의 초기 에너지 손실을 크게 줄이고 수명 안정성을 높인 연구 결과다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀과 포항가속기연구소의 정영화 박사, 한국과학기술원(KAIST) 서동화 교수 연구팀은 금속 원자 배열을 의도적으로 불규칙하게 설계해 구조 붕괴를 억제한 리튬 과잉 층상 산화물 양극 소재를 개발했다고 밝혔다.

리튬 과잉 층상 산화물은 기존 리튬이온 배터리와 달리 금속뿐 아니라 산소도 전기화학 반응에 참여하는 차세대 양극 소재로, 이론적으로 매우 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 그러나 충전 과정에서 발생하는 구조 붕괴와 전압 감소 현상이 고질적인 문제로 지적돼 왔다. 이러한 구조 변화는 첫 충·방전 과정에서 큰 에너지 손실을 발생시키고, 충·방전이 반복될수록 배터리 수명을 단축시키는 원인이 된다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전이금속 원자 배열을 의도적으로 무질서하게 배치하는 설계를 적용했다. 불규칙한 배열이 오히려 충전 과정에서 발생하는 층간 ‘슬라이딩’ 현상을 억제하고 물리적 스트레스를 분산시켜 구조적 안정성을 유지하도록 만든 것이다. 이를 통해 전이금속과 산소 간 결합 구조가 안정적으로 유지되며 구조 붕괴가 크게 줄어드는 효과가 확인됐다.

연구 결과 새롭게 개발된 양극재는 첫 충전과 방전 전압 간 차이가 기존 소재 대비 절반 수준인 0.31V로 감소했고, 초기 에너지 손실도 0.6%에 불과한 것으로 나타났다. 반면 원자 배열이 규칙적인 기존 소재는 약 25.8%의 에너지 손실이 발생하는 것으로 확인됐다.

또한 반복 충·방전 과정에서 나타나는 전압 감소 속도 역시 기존 소재 대비 약 10분의 1 수준으로 낮아졌으며, 160회 충·방전 이후에도 초기 에너지의 약 98%를 유지하는 안정적인 성능을 보였다.

연구팀은 이러한 원리를 밀도범함수(DFT) 이론 계산과 포항가속기연구소 방사광 가속기 분석을 통해 교차 검증했다.

제1저자인 최명준 연구원은 “결함으로 간주되던 원자 배열의 무질서함을 역으로 활용해 구조 안정성을 확보한 접근”이라며 “특정 조성에만 적용되는 기술이 아니라 다양한 리튬 과잉 층상 산화물 양극 소재에 적용할 수 있는 보편적인 설계 전략”이라고 설명했다.

이현욱 교수는 “리튬 과잉 층상 산화물은 매우 높은 에너지 밀도를 낼 수 있는 유망한 차세대 양극 소재지만 구조 붕괴와 전압 감소 문제로 상용화가 어려웠다”며 “이번 기술은 더 작고 가벼우면서도 더 많은 전기에너지를 저장할 수 있는 차세대 고에너지 밀도 배터리 개발을 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ACS Energy Letters에 2월 3일 온라인 게재됐다.

논문명은 Pre-Disordering for Preserving Transition Metal-Oxygen Covalency in Lithium-Rich Layered Oxide Cathodes이다.