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Intro 우리 학과 조은애 교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량의 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

기존 니켈 함량이 높은 '하이니켈(Ni)' 양극 소재에 비해 더 높은 에너지 밀도를 가지는 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성하는 산소가 기체가 되어 비가역적으로 추출되기 때문에 안정성이 높지 않은 단점이 있다.

연구팀은 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시키는 바나듐 이온 도핑을 통해서 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높이는데 성공하여 첫 충전 및 방전 시 81%, 100 사이클이 충전 및 방전 이후에도 92%에 달하는 높은 가역성을 확보하였다.

조은애 교수 연구팀의 이번 연구 결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)' 1월 29일 字 온라인판에 개재되었다. 
Principal Investigator Prof. Cho, EunAe 
Date 2021-03-04 

(왼쪽부터) 신소재공학과 조은애 교수, 이용주 박사

< (왼쪽부터) 신소재공학과 조은애 교수, 이용주 박사 >

 

전기자동차를 구매할 때 가장 망설이게 만드는 요인은 한번 충전으로 운행할 수 있는 주행거리가 짧다는 점이다주행거리를 늘리기 위해서는 배터리를 많이 탑재해야 하는데이는 차체의 무게와 가격을 증가시키는 문제가 생긴다이에 따라 같은 무게에 더 많은 에너지를 저장해 주행거리를 늘릴 수 있는 고용량 배터리 개발이 시급한 상황이다. 

 

우리 대학 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 있다배터리 양극 소재는 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 산화물인데니켈의 함량이 높을수록 용량이 높다(200mAh/g). 그러나 하이니켈 양극 소재로는 주행거리 향상에 한계를 드러내고 있으며연구팀은 하이니켈 양극 소재의 대안으로 리튬 과잉 양극 소재를 제안했다. 

 

리튬 과잉 양극 소재는 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재로저장된 리튬의 양이 많아 가용 용량이 250mAh/g 에 달해기존 하이니켈 양극 소재보다 20% 많은 에너지를 저장할 수 있다그러나리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성하고 있는 산소가 기체가 돼 비가역적으로 추출되는 반응이 일어난다이에 따라산화물 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 성공했다리튬 과잉 양극 소재가 첫 충·방전에서 69%의 낮은 가역성을 갖지만바나듐을 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.

그림 1. 바나듐 이온 도핑 전후 양극 소재의 모식도와 현미경 이미지 및 조성 분포도

< 그림 1. 바나듐 이온 도핑 전후 양극 소재의 모식도와 현미경 이미지 및 조성 분포도 >

 

 

그림 2. 바나듐 이온 도핑 전후 양극 소재의 산소 반응으로 인한 비가역 용량차이 및 사이클 수명성능

< 그림 2. 바나듐 이온 도핑 전후 양극 소재의 산소 반응으로 인한 비가역 용량차이 및 사이클 수명성능 >

 

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

 

신소재공학과 이용주 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 1월 29일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명Promoting 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.