에너지 밀도가 높은 이차전지의 수명을 늘릴 양극소재가 개발됐다.
한국연구재단은 서울대 강기석 교수 연구팀이 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압 강하와 수명 저하의 원인을 찾아 이를 보완할 양극소재를 개발했다고 21일 밝혔다.
전기차 시장이 빠르게 성장하며 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있는 대용량 리튬이온배터리에 대한 연구가 활발하다. 하지만 에너지 밀도가 높은 리튬과잉 양극소재는 충전과 방전시 전압이 급격히 떨어진다.
비싼 코발트 사용을 최소화할 수 있는 ‘하이-니켈 소재’가 차세대 양극소재로 주목받고 있지만 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 소재에 비해 상대적으로 배터리 용량 향상에 한계가 있다.
연구팀은 니켈 함량을 높이는 대신 산소층을 사이에 두고 리튬이 함유된 전이금속 층과 리튬 층을 번갈아 적층하는 방식의 리튬 과잉 양극소재를 개선하는 연구에 주력했다. 이를 통해 충전 과정에서 전이금속 이온이 리튬 층 내 원래 자리를 이탈하고 복귀하지 않아 소재의 구조 붕괴를 야기해 결국 전압 강하와 수명 저하로 이어지는 것을 알아냈다.
또 산소 층 배열을 조절하면 전이금속의 이동을 억제할 뿐만 아니라 이동한 전이금속을 제자리로 복귀시킬 수 있음을 알아냈다. 실제 산소 층을 3회 이상씩 적층한 기존 형태(O3)에서 2회 이상씩 적층한 형태(O2)의 구조로 재배열한 양극신소재를 적용한 결과 반복된 충·방전에도 초기의 재료 구조가 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.
전압 강하의 범위도 기존 0.15V 이상에서 0.05V 이내로 3배 이상 완화시켰고, 40 사이클의 충·방전 이후에도 98.7%에 달하는 우수한 전압 안정성을 보였다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 게재됐다.
