충·방전 안정적 유지 고용량 양극 소재 개발
충·방전 안정적 유지 고용량 양극 소재 개발
  • 이시형
  • 승인 2021.02.22 21:20
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포스텍 강병우 교수 연구팀
전기차 리튬전지로 장거리 운행
리튬 과량 층상구조 합성 조절
500사이클동안 83% 용량 유지
강병우교수
강병우 교수
이정화박사
이정화 박사
국내 연구진이 비싼 금속을 사용하지 않고도 수백 사이클 동안 안정적으로 충·방전이 가능한 고용량 양극 소재를 개발했다. 리튬 전지로 장거리를 운행할 수 있는 전기자동차를 만날 수 있는 날이 한층 가까워졌다.

22일 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 신소재공학부 강병우 교수, 이정화 박사 연구팀은 차세대 고용량 양극재로 주목받고 있는 리튬 과량(Li-rich) 층상구조 물질의 합성법 조절을 통해서 500사이클 이상 충·방전이 안정적으로 유지되는 고에너지 밀도의 양극 소재를 개발하는 데 성공했다. 이 연구 성과는 미국화학협회 에너지 분야 학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 게재됐다.

리튬 과량 층상구조 물질에서 전이 금속과 리튬 층 사이 원자의 불규칙한 분포 형태가 전기화학 반응 활성화 및 사이클 특성에 중요한 요인임을 밝힌바 있는 연구팀은 합성 조건을 조절하는 후속 연구를 실시했다. 이때 기존 발표가 되었던 고상법을 이용하여 최적화된 원자의 분포 형태를 가지는 양극 소재를 구현할 수 있는 간단하고 효율적인 새로운 공정법을 개발했다.

그 결과, 합성된 리튬 과량 층상구조 물질은 전기화학적 활성도와 사이클 특성의 관점에서 최적화된 국부 구조를 가지게 되어 많은 양의 리튬을 가역적으로 사용할 수 있고, 수백 사이클 동안 산소 이온의 반응도 안정적이고 가역적으로 구동됨을 확인했다.

이러한 최적화 된 조건으로 비싼 가격의 코발트가 포함되지 않은 조성으로 합성된 리튬 과량 층상구조 물질은 기존 상용화된 고니켈 층상구조 물질(ex. LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2)의 에너지 밀도인 600Wh/kg보다 180% 이상 증가한 1,100Wh/kg 가역 에너지를 구현할 수 있다.

특히, 많은 양의 리튬이 빠지더라도 안정적인 구조를 유지할 수 있게 되어 100사이클 동안 95% 정도의 용량을 유지할 수 있다. 또한, 500사이클 동안 83%정도의 용량을 유지해 수백 사이클 동안 안정적인 고에너지를 유지할 수 있는 획기적인 성능을 기대할 수 있다.

POSTECH 강병우 교수는 “이번 연구 성과는 차세대 고용량 리튬 과량 층상구조 양극의 중요한 이슈 중 하나인 사이클 특성을 비교적 간단한 공정 변화를 통해서 획기적으로 개선했다는 점, 그리고 이를 통해 차세대 리튬 과량 층상구조 양극 소재가 실제 상용화에 적용하는데 한 걸음 더 다가섰다는 점에 의미가 있다”고 말했다. 포항=이시형기자 lsh@idaegu.co.kr

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