KAIST, 고용량 차세대 배터리 수명 향상 소재 개발
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KAIST, 고용량 차세대 배터리 수명 향상 소재 개발
  • 송윤영 기자
  • yaho1130@hanmail.net
  • 승인 2021.03.03 13:00
  • 조회수 157
  • 댓글 0
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신소재공학과 조은애 교수 연구팀, 고용량·장수명 차세대 리튬 과잉 양극 소재 개발 성공
전기자동차 배터리에 응용할 수 있고 간단한 공정으로 대량생산에도 적합
(사진제공=KAIST)(좌) 조은애 교수 (우) 아용주 박사
(사진제공=KAIST)(좌) 조은애 교수 (우) 아용주 박사

(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = 전기자동차 구매할 때 가장 망설이게 만드는 요인은 한번 충전으로 운행할 수 있는 주행거리가 짧다는 점이다. 주행거리를 늘리기 위해서는 배터리를 많이 탑재해야 하는데, 이는 차체의 무게와 가격을 증가시키는 문제가 있다. 이에 따라 같은 무게에 더 많은 에너지를 저장해 주행거리를 늘릴 수 있는 고용량 배터리 개발이 시급한 상황이다. 

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량의 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

현재 전기자동차 배터리에는 니켈 함량이 높은 `하이니켈(Ni)' 양극 소재가 사용되고 있다. 배터리 양극 소재는 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 산화물인데, 니켈의 함량이 높을수록 용량이 높다(200mAh/g). 그러나 하이니켈 양극 소재로는 주행거리 향상에 한계를 드러내고 있으며, 연구팀은 하이니켈 양극 소재의 대안으로 리튬 과잉 양극 소재를 제안했다.

리튬 과잉 양극 소재는 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재로, 저장된 리튬의 양이 많아 가용 용량이 250mAh/g 에 달해, 기존 하이니켈 양극 소재보다 20% 많은 에너지를 저장할 수 있다. 그러나, 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성하고 있는 산소가 기체가 돼 비가역적으로 추출되는 반응이 일어난다. 이에 따라, 산화물 양극재의 구조가 붕괴되고 배터리 성능이 급격히 감소해 사용되지 못하고 있다.

조은애 교수 연구팀은 비가역적 산소 반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 선택적으로 바나듐(V) 이온을 도핑하는 기술을 개발해 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높이는 데 성공했다. 리튬 과잉 양극 소재가 첫 충·방전에서 69%의 낮은 가역성을 갖지만, 바나듐을 도핑한 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충·방전 시 81%에 달하는 높은 가역성을 나타냈으며, 100 사이클의 충·방전 이후에도 92%에 달하는 안정성을 확인했다.

조은애 교수는 "도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전 시 가역적인 산화·환원 반응이 가능하게끔 했다ˮ고 설명하며 "전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다ˮ고 말했다.

KAIST 신소재공학과 이용주 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 1월 29일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Promoting the Reversible Oxygen Redox Reaction of Li-excess Layered Cathode Materials with Surface Vanadium Cation Doping)

한편 조은애 교수팀이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업과 KAIST 글로벌 특이점 연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

그림 1. 바나듐 이온 도핑 전후 양극소재의 모식도(상)와 도핑된 양극소재의 실제 투과 현미경(TEM) 이미지 및 조성 분포도(하)
그림 1. 바나듐 이온 도핑 전후 양극소재의 모식도(상)와 도핑된 양극소재의 실제 투과 현미경(TEM) 이미지 및 조성 분포도(하)
그림 2. 바나듐 이온 도핑 전후 양극소재의 산소 반응으로 인한 비가역 용량 차이(좌) 및 사이클 수명 성능(우)
그림 2. 바나듐 이온 도핑 전후 양극소재의 산소 반응으로 인한 비가역 용량 차이(좌) 및 사이클 수명 성능(우)

△ 연구 내용

리튬이온배터리에 사용되는 양극소재 중 리튬 과잉 양극소재는 기존에 사용되어 왔던 니켈 기반의 양극소재보다 더 많은 리튬을 함유하고 있어 니켈 기반 양극소재의 용량 및 에너지 한계를 극복할 수 있는 차세대 양극소재로 각광 받고 있다.

하지만 양극 내 전이금속이온들의 산화·환원 반응 만으로 용량을 발현하는 기존의 니켈 기반 양극소재와 달리 리튬 과잉 양극소재는 전이금속이온뿐만 아니라 양극 내 산소이온의 산화·환원 반응까지 이용해 용량을 발현해 다양한 문제점들이 발생한다. 그 중 가장 핵심적인 문제점은 첫 충·방전 시 양극소재 표면의 산소이온이 비가역적으로 산화 환원 반응을 일으키며 추출되는 현상이다. 이처럼 산소이온이 추출됨으로서 비가역 용량이 증가하고 양극 물질 구조의 붕괴를 가속시켜 배터리 수명을 저하시키는 문제점을 발생시킨다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 산소이온의 비가역적인 반응을 억제하고 가역적인 반응을 유도하는 기술이 필요하다. 이에 바나듐 이온을 양극소재 표면에 도핑해 양극소재의 성능과 수명을 향상시켰다.

성능 및 수명 향상을 규명하고자 다양한 분석과 시뮬레이션을 수행한 결과, 도핑된 바나듐 이온이 양극소재 내 산소이온의 전자구조를 충·방전 시 가역적인 반응을 가능하게끔 변화시켰고 이러한 가역적인 산소 반응은 결과적으로 수명 향상에도 기여한 것을 확인했다.


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