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금속 치환으로 안정성 높여 리튬이온전지 양극소재 용량 개선

성균관대·KIST 공동연구팀, 구조 변형 및 전압강하 46% 개선
안정적 에너지 저장과 수명향상 달성

(대전=뉴스1) 심영석 기자 | 2021-12-13 12:00 송고
구조 내 에서의 양이온 이동 경로 모식도(성균관대 김종순 교수 제공)© 뉴스1

국내 연구진이 양극 소재로 주목받는 리튬 과잉 층상형의 전압강하와 열악한 수명 특성을 개선시키는데 성공했다.

13일 한국연구재단에 따르면 성균관대 김종순 교수 연구팀이 KIST(한국과학기술연구원) 홍지현 박사 연구팀과 공동연구를 통해 리튬 과잉 층상형 양극 소재에서 발생하는 전압강하를 효과적으로 개선했다.

기존 소재는 전기적 중성을 유지하기 위해 전이금속의 양에 의해 가용할 수 있는 리튬 이온의 양에 제한이 있어 리튬 이온의 양을 일정 수준 이상으로 증가시키기 어려웠다.

전기에너지 저장 역할을 하는 리튬 이온의 양은 곧 배터리의 용량과 직결된다.

이에 연구팀은 전이금속에 산소까지 더해 에너지 저장 반응을 할 수 있도록 해 가용한 리튬 이온의 양을 증가시켰다.

또 연구팀은 리튬 과잉 층상형 양극 소재에서 충방전 도중 생성되는 산화된 산소의 높은 불안정성으로 인해 발생하는 구조적 무질서화 및 전압강하를 개선하고자 했다.

충방전이 진행됨에 따라 전이금속이 자리를 이탈, 인접한 리튬 층으로 이동하면서 전압강하, 수명저하가 발생하기 때문이었다.

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

실제 연구팀은 대조군 양극 소재 대비 방전과정에서 나타나는 전압강하를 46% 개선해 안정적 에너지 저장과 수명향상을 달성하는데 성공했다.

한편 이번 연구 성과는 에너지 신소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈’ 10월28일자 온라인판에 게재됐다.


km5030@news1.kr

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