▲ 구조 내 에서의 양이온 이동 경로 모식도 / 기존 금속 층에 존재하고 있는 전이금속이 주변 산화된 산소(O1-) 종의 불안정성 으로 인해 충방전 과정에서 인접한 사면체 위치를 거쳐 리튬 층의 팔면체 위치로 이동함. 이는 소재의 실질적인 성능저하로 이어지는 비가역적인 구조 변형을 유발한다. 전기화학 반응에 참여하지 않는 고정된 산화수의 금속을 구조 내에 치환시킴으로서 전이금속이 리튬 층으로 이동하는 것을 억제하여 안정적인 반응이 가능한 양극소재를 설계하였다.(그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 김종순 교수)  © 특허뉴스

리튬이온배터리에 사용되는 양극 소재의 용량한계를 돌파하기 위해 양극 소재로 주목받는 리튬 과잉 층상형의 전압강하와 열악한 수명 특성을 개선시킨 연구결과가 나왔다.

리튬 과잉 층상형은 구조 내 전이금속에 비해 리튬을 과량으로 첨가한 차세대 양극 소재로 리튬과 전이금속 층이 구분되었던 기존 층상형과 달리 전이금속 층에도 리튬 이온이 존재하여 가용 용량이 증가해 높은 에너지밀도의 구현이 가능하다.

한국연구재단은 성균관대학교 김종순 교수 연구팀이 한국과학기술연구원 홍지현 박사 연구팀과 리튬 과잉 층상형 양극 소재에서 발생하는 전압강하를 효과적으로 개선했다고 13일 밝혔다. 대조군 양극 소재 대비 방전과정에서 나타나는 전압강하를 46% 개선하여 안정적 에너지 저장과 수명향상을 달성했다.

기존 소재는 전기적 중성을 유지하기 위해 전이금속의 양에 의해 가용할 수 있는 리튬 이온의 양에 제한이 있어 리튬 이온의 양을 일정 수준 이상으로 증가시키기 어려웠다. 전기에너지 저장 역할을 하는 리튬 이온의 양은 곧 배터리의 용량과 직결된다.

이에 연구팀은 전이금속에 산소까지 더해 에너지 저장 반응을 할 수 있도록 하여 가용한 리튬 이온의 양을 증가시키고자 했다.

연구팀은 리튬 과잉 층상형 양극 소재에서 충방전 도중 생성되는 산화된 산소의 높은 불안정성으로 인해 발생하는 구조적 무질서화 및 전압강하를 개선시키고자 했다. 충방전이 진행됨에 따라 전이금속이 자리를 이탈, 인접한 리튬 층으로 이동하면서 전압강하, 수명저하가 발생하기 때문이었다.

이를 해결하기 위해 구조 내 반응에 참여하지 않는 고정된 산화수의 원소를 치환했을 때 주변 산소를 효과적으로 안정화시켜 구조 변형이 억제되고, 음이온 산화 환원 반응의 안정성이 향상된다는 것을 확인했다.

이번 연구의 성과는 에너지 신소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 10월 28일 게재(온라인)되었다.