[위즈뉴스] 한 번 충전으로 서울과 부산을 왕복할 수 있는 전기차는 언제쯤 나올까.
차세대 자동차로 일컬어지는 전기차 시장이 빠르게 성장하는 가운데 주행가능거리를 향상시키기 위한 대용량 리튬이온 배터리 개발과 관련한 연구가 활발하다.
한국연구재단은 21일, 서울대 강기석 교수 연구팀이 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압강하와 수명저하의 원인을 찾아내고, 이를 보완할 양극소재를 개발했다고 밝혔다.
이번 연구성과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제 학술지 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF=46.863)' 1월 21일자에 게재됐다. 논문 제목은 'Voltage decay and redox asymmetry mitigation by reversible cation migration in lithium-rich layered oxide electrodes'이다.
리튬 과잉 양극소재란 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재로 산소층을 사이에 두고, 전이금속층과 리튬층이 번갈아 나타나는 구조로 전이금속층에도 리튬이 함유되어 있어, 가용 리튬의 양이 많아 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다.
현재는 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.
하이-니켈(NCM)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)이 포함된 층상구조의 기존 양극재에서 니켈 함량이 높은 소재로 일반적으로 니켈의 함량이 높아질수록 높은 에너지밀도를 보인다.
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 야기해, 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.
O3는 구조내의 리튬을 둘러싸고 있는 산소층의 최소 반복 횟수가 3회인 적층형태를, O2는 구조내의 리튬을 둘러싸고 있는 산소층의 최소 반복 횟수가 2회인 적층형태를 말한다.
연구팀은 이로 인해 전압강하의 범위도 기존 0.15V 이상에서 0.05V 이내로 3배 이상 완화시켰으며, 40 사이클의 충·방전 이후에도 98.7%에 달하는 우수한 전압 안정성을 확인했다.
연구팀은 "이번 연구에서 개발한 양극재는 실용화될 경우, 고에너지 밀도가 필요한 전기자동차, ESS(Energy Storage System)등에 활용될 수 있다"면서 "리튬과잉 소재의 상용화를 위해서는 합성 공정의 효율성, 탭 밀도 향상 등이 더 필요할 것으로 보인다"고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부․한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.
