안정성도 높으면서 용량도 큰, 바로 상용화할 수 있는 리튬2차전지용 신개념 양극소재가 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 모바일 기기, 노트북 등에 활용되는 소형 전지뿐만 아니라, 전기자동차나 신재생 에너지 저장용으로 사용될 수 있는 중대형 전지개발에 새로운 가능성이 열렸다.

한양대 선양국 교수(51세)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)과 지식경제부 에너지인력양성사업의 지원으로 수행되었고, 세계 최고 과학전문지인 ‘네이처’의 대표적인 자매지이자 물리 및 재료과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nature Materials’지 최신호(10월 8일자)에 게재되었다.(논문명: Nanostructured high-energy cathode materials for advanced lithium batteries)

리튬2차전지는 현재 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등 휴대용 모바일기기에 폭넓게 사용되고 있으며, 최근에는 하이브리드 전기자동차와 지능형 로봇 등의 동력원뿐만 아니라 태양광, 풍력 발전 등 신재생 에너지 전력저장용 중대형 전지시스템으로도 주목 받고 있다.

그러나 국내외에서 종종 발생되는 배터리 폭발사고와 배터리 공장 폭발사고 등과 같은 안전성의 문제가 대두되고 있으며, 중대형 전지시스템에 적용하기 위해서는 에너지 밀도를 높이는 문제뿐만 아니라 우수한 안정성을 확보하는 문제가 중요한 이슈로 제기되어 왔다.

선양국 교수 연구팀은 최근 주목받고 있는 리튬이차전지의 우수한 안전성과 높은 에너지밀도를 동시에 구현하면서도, 바로 상용화할 수 있는 전체 농도구배 복합층 구조 양극소재를 개발하였다.

전체 농도구배 복합층 구조(Full Concentration Gradient Structure)란, 고에너지 밀도를 갖는 중심부에서 고안전성, 고출력을 갖는 표면층까지 니켈, 코발트, 망간의 조성이 연속적으로 바뀌는 구조를 말한다. 즉, 하나의 입자 중심부에서 표면부까지 전체 농도를 변화시켜 각 조성에서 갖는 장점만을 발현할 수 있는 구조이다.

선 교수팀은 지금까지 고용량 특성의 양극 소재와 고안정성의 양극 소재를 하나의 입자 속에 구현하기 위해 코어-쉘 구조(2006년, 미국화학회지), 농도 구배형 구조(2009년, Nature Materials)의 양극 소재를 개발하였다.

그러나 이번에는 오랜 시간 구동할 때 발생할 수 있는 입자내 구조적 탈리 등의 결함을 완벽하게 보완할 수 있는 구조인 입자 중심에서 최외각까지 순차적으로 전이금속의 농도 구배를 지니는 전체 농도구배 복합층 구조의 양극 소재를 개발한 것이다.

또한 이렇게 개발된 신개념 양극 소재는 현재 양극 소재 제조 공정으로 널리 사용되는 공침법*을 이용해 제조되어 바로 상용화할 수 있고, 기존 리튬이차전지용 양극 소재(LiCoO2)와 삼성분계 양극 소재(약 470 Wh/kg)보다 안정성, 에너지 밀도 및 전지용량을 동시에 최대 2배 이상 향상시킬 수 있는 점이 큰 특징이다.

선양국 교수는 “공침법을 이용한 전체 농도구배 복합층 구조의 양극소재 개발로 에너지 밀도 및 전지용량과 안정성을 동시에 높일 수 있으며, 상용화가 용이해 향후 하이브리드 전기자동차나 전력저장 시스템용 중대형전지뿐만 아니라 차세대에너지 저장시스템의 전극 소재 개발에 중요한 기반이 될 것”이라고 연구의의를 밝혔다.

 

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