KAIST, 수명 긴 차세대 배터리 '고용량 리튬 과잉 양극소재' 개발

조은애 교수 연구팀 기존 배터리 양극재보다 20% 이상 고에너지
전기자동차 배터리 응용 가능, 간단한 공정으로 대량생산 적합

[대전=뉴시스] 바나듐 이온 도핑 전후 양극소재의 모식도(위)와 도핑된 양극소재의 실제 투과 현미경(TEM) 이미지 및 조성 분포도(아래). *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 기존 배터리 양극재보다 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지할 수 있는 '고용량 리튬 과잉 양극 소재'를 개발했다고 3일 밝혔다.

현재 전기자동차 배터리에는 니켈 함량이 높은 '하이니켈(Ni)' 양극 소재가 사용되고 있다. 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 산화물인 배터리 양극 소재는 니켈의 함량이 높을수록 용량(200mAh/g)이 높지만 하이니켈 양극 소재로는 주행거리 향상에 한계가 있다.

이번 연구에서 조 박사팀은 하이니켈 양극 소재의 대신해 리튬 과잉 양극 소재를 제시했다.

리튬 과잉 양극 소재는 저장된 리튬의 양이 많아 가용 용량이 250mAh/g 에 달해 기존 하이니켈 양극 소재보다 20% 많은 에너지를 저장할 수 있다.

단, 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성하고 있는 산소가 기체가 돼 비가역적으로 추출되는 반응이 일어난다. 이로 산화물 양극재의 구조가 붕괴되고 배터리 성능이 급격히 감소하는 단점이 있다.

이를 극복키 위해 조은애 교수팀은 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 나타냈고 100 사이클의 충·방전 이후에도 92%에 달하는 안정성을 확보했다.

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

조은애 교수는 "도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전 시 가역적인 산화·환원 반응이 가능하게 했다"며 "전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다"고 말했다.

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