한국연구재단(이사장 이광복)은 성균관대학교 에너지과학과 윤원섭 교수와 경희대학교 정보전자신소재공학과 박민식 교수 공동연구팀이 리튬이온전지에 과량의 리튬을 안정적으로 제공할 수 있는 희생양극소재 개발에 성공했다고 14일 밝혔다.
연구재단에 따르면 희생양극소재란 풍부한 양의 리튬이온을 제공해 음극 소재에 의한 리튬이온 손실을 효과적으로 보상할 수 있게 하는 소재를 뜻한다.
고용량 리튬이온전지의 상용화를 위해서는 실리콘 기반 음극소재 적용이 필수적이지만, 이 소재의 경우 초기 충전과정에서 SEI(solid electrolyte interface) 층 이 형성되면서 다량의 리튬이온이 소모되어 리튬이온전지의 성능이 저감된다는 문제가 있었다.
이에 풍부한 양의 리튬을 제공할 수 있는 희생양극소재가 해결방안으로 제시되고 있지만, 이 소재 역시 초기 충전과정에서 음이온의 산화·환원 반응에 의해 발생하는 다량의 산소 가스가 리튬이온전지의 셀 성능에 안 좋은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
이에 연구팀은 고도화된 방사광가속기 기반의 분석을 통해 희생양극소재의 초기 충전 과정에서의 전기화학적 반응기구를 명확히 규명, 다량의 산소 가스 발생을 억제해 리튬을 안정적으로 제공할 수 있는 기술을 개발했다.
희생양극소재 중 대표적으로 사용되는 Li6CoO4의 경우 첫 충전 과정 이후 추가적인 전기화학 반응을 유발해 희생양극소재 특성에 부합하지 않았다. 연구팀은 Li6CoO4에 철(Fe)을 치환해 안정적인 Fe2O3 상의 형성을 유도하여, 추가적인 전기화학반응을 유발하는 LiCoO2 중간상의 비율을 감소시켰고, 이를 통해 전기화학적 특성 약화 및 산소(O2) 가스 발생 억제를 유도해 희생양극소재의 구조적 안정성 확보 및 전하보상 기능을 개선시킬 수 있었다.
기존 연구에서는 분석기법의 한계로 희생양극소재의 전기화학적 반응기구를 이해하기 어려웠지만, 이번 연구에서 사용된 X-선 흡수 근접 엣지 구조 분석(XANES), 확장 X-선 흡수 미세구조 분석(EXAFS), 그리고 연 X-선 흡수 분광법(Soft XAS) 등의 고도분석 기법을 통해 이 문제를 해결할 수 있었다.
연구팀은 “그동안 명확하게 규명되지 않았던 희생양극소재의 결정구조 변화와 전하 보상 반응기구의 심층적인 이해를 제공할 수 있었다”며, “희생양극소재를 적용한 고성능 리튬이온전지 설계에 대한 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 전망된다”고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 재료분야 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 11월 10일 자에 게재됐으며, 표지논문(Front Cover)으로도 선정됐다.
전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr
