'산소를 잡아라!' 차세대 리튬이온 배터리 수명 연장의 열쇠

포스텍(POSTECH) 철강·친환경소재기술대학원 전지공학과 홍지현 교수 연구팀과 임국현 박사가 함께 리튬이온전지(LIB)용 차세대 양극소재인 리튬이 풍부한 적층산화물(LLO) 소재의 내구성을 강화하는 획기적인 전략을 개발했다. 배터리 수명을 크게 연장하는 이 획기적인 기술은 에너지 저널인 에너지&환경과학(Energy & Environmental Science )에 게재됐습니다.

리튬 이온 배터리는 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템(ESS)과 같은 응용 분야에서 없어서는 안 될 것입니다. 리튬이 풍부한 층상 산화물(LLO) 소재는 니켈과 코발트 함량을 줄이는 동시에 리튬과 망간 구성을 증가시켜 기존 니켈 기반 양극보다 최대 20% 더 높은 에너지 밀도를 제공합니다. 보다 경제적이고 지속 가능한 대안으로 LLO는 상당한 주목을 받았습니다. 그러나 충전-방전 사이클 동안 용량 감소 및 전압 감소와 같은 과제로 인해 상업적 실현 가능성이 방해를 받았습니다.

이전 연구에서는 사이클링 중 양극의 구조적 변화가 이러한 문제의 원인이라고 밝혔지만, 불안정성의 정확한 이유는 여전히 불분명합니다. 또한, LLO의 구조적 안정성을 높이기 위한 기존 전략은 근본 원인을 해결하지 못해 상용화를 방해했습니다.

POSTECH 팀은 충전-방전 과정에서 LLO 구조를 불안정하게 만드는 산소 방출의 중추적 역할에 집중했습니다. 그들은 양극과 전해질 사이의 계면의 화학적 안정성을 개선하면 산소 방출을 방지할 수 있다고 가정했습니다. 이 아이디어를 바탕으로 전해질 구성을 개선하여 양극-전해질 계면을 강화했고, 그 결과 산소 배출이 상당히 감소했습니다.

연구진이 개발한 강화된 전해질은 700번의 충전-방전 사이클 이후에도 84.3%라는 인상적인 에너지 보존율을 유지했습니다. 이는 300번의 사이클 이후에도 평균 37.1%의 에너지 보존율을 달성했던 기존 전해질에 비해 상당한 개선입니다.

이 연구는 또한 LLO 재료 표면의 구조적 변화가 재료의 전반적인 안정성에 상당한 영향을 미친다는 것을 밝혔습니다. 이러한 변화를 해결함으로써 팀은 배터리 내부의 전해질 분해와 같은 원치 않는 반응을 최소화하는 동시에 양극의 수명과 성능을 획기적으로 개선할 수 있었습니다.

홍지현 교수는 "싱크로트론 방사선을 사용하여 양극 입자의 표면과 내부 사이의 화학적, 구조적 차이를 분석할 수 있었습니다. 이를 통해 양극 표면의 안정성이 재료의 전반적인 구조적 무결성과 성능에 중요하다는 것을 알게 되었습니다. 이 연구가 차세대 양극 재료 개발을 위한 새로운 방향을 제공할 것으로 믿습니다."라고 말했습니다.

이 연구는 산업통상자원부, 한국산업기술진흥원의 지원과 과학기술정보통신부, 한국연구재단의 지원을 받아 2024년까지 연구비를 지원받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241225145410.htm