구조적 안정성 강화로 리튬이온전지 양극소재 용량 향상

리튬 과잉 소재에서 고정 산화수 금속 치환을 통해 구조 변형 및 전압강하 억제

리튬이온배터리에 사용되는 양극 소재의 용량 한계를 돌파하기 위해 양극 소재로 주목받는 리튬 과잉 층상형의 전압강하와 열악한 수명 특성을 개선시킨 연구결과가 나왔습니다.

 

김종순 교수(성균관대학교) 연구팀이 홍지현 박사(한국과학기술연구원) 연구팀과 리튬 과잉 층상형 양극 소재에서 발생하는 전압강하를 효과적으로 개선했습니다. 대조군 양극 소재 대비 방전과정에서 나타나는 전압강하를 46% 개선하여 안정적 에너지 저장과 수명향상을 달성했습니다.

※ 리튬 과잉 층상형: 구조 내 전이금속에 비해 리튬을 과량으로 첨가한 차세대 양극 소재. 리튬과 전이금속 층이 구분되었던 기존 층상형과 달리 전이금속 층에도 리튬 이온이 존재하여 가용 용량이 증가해 높은 에너지밀도의 구현이 가능하다.

 

구조 내에서의 양이온 이동 경로 모식도

 

기존 소재는 전기적 중성을 유지하기 위해 전이금속의 양에 의해 가용할 수 있는 리튬 이온의 양에 제한이 있어 리튬 이온의 양을 일정 수준 이상으로 증가시키기 어려웠습니다. 전기에너지 저장 역할을 하는 리튬 이온의 양은 곧 배터리의 용량과 직결됩니다. 이에 연구팀은 전이금속에 산소까지 더해 에너지 저장 반응을 할 수 있도록 하여 가용한 리튬 이온의 양을 증가시키고자 하였습니다.

 

억제된 구조적 무질서화 및 선택적 산소의 산화/환원 반응

 

연구팀은 리튬 과잉 층상형 양극 소재에서 충방전 도중 생성되는 산회된 산소의 높은 불안정성으로 인해 발생하는 구조적 무질서화 및 전압강하를 개선시키고자 했습니다. 충방전이 진행됨에 따라 전이금속이 자리를 이탈해, 인접한 리튬 층으로 이동하면서 전압강하, 수명저하가 발생하기 때문이었습니다.

 

이를 해결하기 위해 구조 내 반응에 참여하지 않는 고정된 산화수의 원소를 치환했을 때 주변 산소를 효과적으로 안정화시켜 구조변형이 억제되고, 음이온 산화 환원 반응의 안정성이 향상된다는 것을 확인했습니다.

 

 

<과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업, 방사선고부가신소재개발사업 및 나노미래소재원천기술개발사업 등의 지원으로 수행되었습니다.>

 

 

 

출처: 한국연구재단

 

 

 

[출처] NRF 기초연구사업 공식블로그