한양대 방진호 교수, 안전한 리튬 이온 전지 기술 개발

신규 하이-니켈 양극 전구체 표면 엔지니어링 기술

[서울=뉴시스] 교신저자, 방진호 교수. (사진=한양대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]이주영 인턴 기자 = 한양대 ERICA 화학분자공학과 방진호 교수 연구팀은 리튬 이온 전지의 용량과 안정성을 동시에 높일 수 있는 코발트 프리 하이-니켈 양극재 전구체 개질 기술을 개발했다.

기존 고농도 니켈을 함유한 코어-쉘 구조의 양극 전구체는 고온 열처리 과정에서 표면 망가니즈가 내부로 확산돼 구조가 붕괴되는 문제점이 있었다. 이는 용량 저하, 가스 방출, 효율 저하 등의 심각한 문제를 야기했다.

방 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 전구체 단계부터 표면 망가니즈 산화수를 조절하는 새로운 엔지니어링 기술을 개발했다. 이를 통해 표면 망가니즈의 확산 속도를 낮추고 고온 열처리에도 구조 안정성을 확보해 높은 결정성과 안정한 표면을 가진 하이-니켈 양극 소재(니켈 97%)를 제조하는데 성공했다.

이 기술은 전구체 합성 과정에서 간단한 건조 조건 변화만으로 구현 가능하다는 장점을 지닌다. 이는 기존 개질 공정 대비 경제성과 효율성이 매우 높다고 한다.

[서울=뉴시스] 전구체 표면 개질을 통한 고안정성 양극 소재 개발에 대한 모식도. (사진=한양대 제공) *재판매 및 DB 금지

개발된 하이-니켈 양극 소재는 기존 코어-쉘 구조 대비 1000회 충방전 후에도 2배 이상 우수한 용량 유지율을 보였다. 또한 표면 안정성이 크게 향상돼 전해질과의 부반응으로 생성되는 불순물 농도가 10% 이상 감소됐으며, 양극 소재 표면의 전이금속 용출에 의한 성능 저하 문제도 효과적으로 해결했다.

방 교수는 "이번 연구는 기존 양극 소재 개질 기술의 한계를 뛰어넘어 전구체 단계부터 물리·화학적 상태를 조절하는 새로운 패러다임을 제시한다"며 "이 기술은 고성능 리튬 이온 전지 개발에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다"고 말했다.

이 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 관련 결과는 나노기술 분야 학술지 'Small'에 'Surface Pinning of Mn by Oxidation State Control for the　Synthesis of Cobalt-Free, Ni-Rich, Core/Shell Structured Cathode Materials'라는 제목으로 지난 15일 온라인 게재됐다.

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