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[사이언스] 높은 에너지 밀도 가진 이차전지 양극소재 개발

리튬 과잉 양극 소재의 전압강하와 수명저하 원인 규명, 산소층 재배열로 단점 완화

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특허뉴스 이성용 기자
기사입력 2020/01/21 [10:33]

한 번 충전으로 서울과 부산을 왕복할 수 있는 전기차는 언제쯤 나올까. 차세대 자동차, 전기차 시장이 빠르게 성장하는 가운데 주행가능거리를 향상시키기 위한 대용량 리튬이온배터리배터리 개발연구가 활발하다.

 

▲ 산소층 배열 조절을 통하여 가역적인 전이금속 이동을 유도  © 특허뉴스


한국연구재단은 서울대학교 강기석 교수 연구팀이 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압강하와 수명저하의 원인을 찾아내고, 이를 보완할 양극소재를 개발했다고 밝혔다.

 

비싼 코발트 사용을 최소화할 수 있는 하이-니켈 소재가 차세대 양극소재로 주목받고 있지만 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 소재에 비해서는 상대적으로 배터리 용량 향상에 한계가 있다.

 

▲ 신소재의 충방전시 가역적인 구조변화로 인한 전기화학적 성능 향상  © 특허뉴스

 

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.

 

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.

 

이번 연구의 결과는 국제 학술지, 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)121일 게재되었다.

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