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고려대 연구팀, 세계 최초 음이온 산화환원 현상 발견
노주은 기자 | 승인 2020.02.12 14:01

리튬 이차전지 성능·안정성 동시 향상 토대 마련

고려대 공과대학 신소재공학부 강용묵 교수. 사진=고려대

고려대 공과대학 신소재공학부 강용묵 교수-미국 LBNL(Lawrence Berkeley National Lab) Wanli Yang 박사 공동 연구팀이 전기자동차용 리튬 이차전지의 양극소재로 사용되는 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(이하 NCM)에서 세계 최초로 음이온 산화/환원 현상을 발견하여 향후 NCM 소재의 성능과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 토대를 마련했다. 해당 결과는 지난 7일 세계적인 학술지 'Angewandte Chemie International Edition'에 발표됐다.

휴대용 전원 및 전기자동차(EV), 에너지저장시스템(ESS) 등에 사용되는 리튬 이차전지의 성능은 양극, 음극, 전해질, 분리막 등 4대 핵심소재의 특성에 의해 결정된다. 특히 이차전지의 사용 시간을 결정하는 충전 용량에는 양극 소재의 성능이 가장 중요하다.

현재 EV, ESS 등 대형 시스템용 리튬 이차전지의 양극 소재로 사용되고 있는 NCM은 기존에 사용되었던 LiCoO2에 비해 많은 리튬 이온의 탈리가 가능하여 높은 용량을 구현할 수 있다고 알려져 있으나 리튬의 이동과 함께 수반되어야 하는 전자의 산화/환원에 관련해서는 Ni, Co, Mn 등의 전이금속에 국한되었다.

최근 리튬 과량(Li rich) 층상구조 양극 소재 등을 중심으로 관찰되고 있는 음이온 산화/환원은 기존의 전이금속의 산화/환원 범위 이상으로 전자 이동을 유발함으로써 리튬 이온의 이용량을 증가시켜 리튬 이차전지의 용량을 혁신적으로 높일 수 있는 메커니즘으로 알려져있다. 그러나 현재까지 제시된 이론들에 따르면 리튬이 과량으로 들어있거나 구조 내 결함 등이 존재하여 층상 구조 내에 비대칭성이 발생할 때만 발생하는 것으로 알려져 있다.

충전과정 중 산소의 산화작용을 보여주는 도표/ 자료=고려대

강용묵 교수 공동연구팀은 산소의 음이온 산화/환원 현상을 관찰하는 데 있어서 가장 신뢰성이 높은 방법으로 알려진 공명 비탄성 X-선 산란법(RIXS)을 활용하여 NCM의 충전 과정에서 전체 리튬 이온의 약 70% 이상이 빠진 이후부터 전이금속에서의 산화 현상은 사라지고, 산소에서의 전자 탈리를 통해 충전이 이루어진다는 사실을 세계 최초로 관찰했다. 이러한 산소로부터의 전자 탈리 현상은 일정 수준 이상의 가역성을 가지고 있어서 NCM의 가역용량을 향상하는데 기여할 수 있음을 확인했다.

강용묵 교수는 "현재 전기 자동차용 리튬 이차전지에서 가장 중요한 소재로 알려진 NCM의 경우 리튬이 과량으로 존재하는 것은 아니지만 Ni, Co, Mn 등의 전이금속이 구조 내에 혼재되어 있고, 그러한 상태가 음이온 산화/환원을 유발하는 것으로 보고되고 있는 구조의 비대칭성을 유발할 수 있다는데 착안하여, Wanli Yang 박사와 함께 해당 현상에 대한 관찰을 시도하게 되었다. 본 연구의 의의는 대표적인 상용 양극 소재인 NCM의 용량 및 에너지 밀도를 혁신적으로 향상시키기 위해서는 음이온(산소)으로부터의 산화/환원을 가역적으로 만드는 것이 향후 기술 개발의 가장 중요한 점이라는 사실을 확인한데 있다고 할 수 있다”고 말했다.

Wanli Yang 박사는 “NCM및 리튬 과량이 아닌 층상구조 양극 소재에서 음이온 산화/환원이 발생하는 정확한 원인에 관해서는 고려대 연구팀과의 지속적인 공동연구를 통해 층상구조 양극 소재의 활용성을 극대화하는 방법을 찾고 있다.”고 덧붙였다.

노주은 기자  jooeuntw@dailytw.kr

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