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전기차 주행거리 혁신적으로 개선할 이차전지 양극소재 개발 성공

리튬 과잉 양극 소재의 전압강하와 수명저하 원인 규명

[산업일보]
전기차의 보급이 가속화되면서 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.

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.

전기차 주행거리 혁신적으로 개선할 이차전지 양극소재 개발 성공
신소재의 충방전시 가역적인 구조변화로 인한 전기화학적 성능 향상


이에, 한 번 충전으로 서울과 부산을 왕복할 수 있을 정도의 주행가능거리를 가진 차세대 자동차, 전기차 시장이 빠르게 성장하는 가운데 대용량 리튬이온배터리리 개발연구가 활발하다.

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

연구팀은 니켈 함량을 높이는 대신 산소층을 사이에 두고 리튬이 함유된 전이금속층과 리튬층을 번갈아 적층하는 방식의 리튬 과잉 양극소재를 개선하는 연구에 주력했다.

이번 연구를 통해 충전과정에서 전이금속 이온이 리튬층 내 원래 자리를 이탈하고 복귀하지 않아 소재의 구조 붕괴를 야기, 결국 전압강하와 수명저하로 이어지는 것을 알아냈으며, 나아가 산소층 배열을 조절하면 전이금속의 이동을 억제할 뿐만 아니라 이동한 전이금속을 제자리로 복귀시킬 수 있음을 확인했다.

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 것이 드러났다.

이로 인해 전압강하의 범위도 기존 0.15V 이상에서 0.05V 이내로 3배 이상 완화되고, 40사이클의 충·방전 이후에도 98.7%에 달하는 우수한 전압 안정성을 확인했다.

연구팀은 “이번에 개발한 신소재는 산소 음이온의 전기화학적 활성이 차세대 리튬 과량 양극재에서 가용 가능한 전략임을 확인했다는 점에서 고무적”이라며, “비슷한 산소음이온 활성 기반 소재의 개발에 있어, 전이금속 이동 제어가 소재 안정화와 고에너지 밀도화에 있어 나아가야할 새로운 연구 방향임을 제시했다는 데 큰 의의가 있다”고 언급했다.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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