산소 반응 안정화로 성능·수명 동시 향상
1천㎞급 전기차·전고체 배터리 상용화 기대
재료공학 분야 국제학술지 표지논문으로 게재
경북대학교와 성균관대학교, 경희대학교 공동연구팀이 차세대 고용량 배터리의 핵심 난제로 꼽히는 산소 반응의 불안정성을 해결할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했다.
경북대는 화학교육과 이원태 교수 연구팀이 성균관대 윤원섭 교수, 경희대 박민식 교수 연구팀과 공동으로 리튬이 풍부한 니켈 기반 양극 소재에서 충전 과정 중 발생하는 산소 반응을 안정적으로 제어할 수 있는 구조 설계 원리를 규명했다고 8일 밝혔다.
고에너지 밀도 리튬이온배터리를 구현하기 위해서는 양극 소재의 에너지 저장 능력을 높여야 한다. 최근에는 기존 전이금속 산화·환원 반응뿐 아니라 산소까지 전기화학 반응에 참여시키는 '음이온 산화·환원(anionic redox)' 기반 고용량 양극 소재가 차세대 배터리 기술로 주목받고 있다.
하지만 이들 소재는 충전 과정에서 결정 구조에 결합된 산소가 기체 형태로 방출되면서 구조 붕괴와 미세 균열이 발생해 배터리 성능과 수명이 급격히 저하되는 문제가 있어 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.
연구팀은 리튬니켈옥사이드(Li₂NiO₂) 계열 양극 소재에 소량의 플루오린(F)을 도입하는 원자 수준의 설계 전략을 적용했다. 플루오린이 첨가되면 소재 내부에 리튬-산소-금속-플루오린(Li-O-M-F) 결합 구조가 형성돼 산소의 전자 상태를 안정화하고, 충전 과정에서 산소가 기체로 방출되는 시점을 늦춰 반응을 안정적으로 유지하는 것으로 나타났다.
실험 결과 산소 방출은 효과적으로 억제됐고, 대신 니켈 이온이 전기화학 반응에 더 크게 기여하면서 구조 붕괴와 미세 균열이 감소했다. 이에 따라 배터리의 수명과 구조적 안정성이 동시에 향상된 것으로 확인됐다.
연구팀은 이번 연구가 고에너지 밀도 배터리의 성능과 안전성을 함께 높일 수 있는 새로운 설계 전략을 제시한 것으로, 차세대 전기차와 에너지저장장치(ESS), 전고체 배터리 등에 적용될 고용량 양극 소재 개발에 활용될 것으로 기대하고 있다.
이원태 경북대 교수는 "리튬이 풍부한 차세대 양극 소재의 고질적인 산소 불안정성을 해결할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 있다"며 "원자 수준의 구조 제어를 통해 산소 반응과 구조 안정성을 동시에 확보할 수 있음을 규명했다"고 말했다.
이어 "이번 설계 전략은 1천㎞급 장거리 전기차 구현에 필요한 차세대 고용량 배터리는 물론, 전고체 배터리와 휴머노이드 로봇 등 피지컬 AI 시스템에 활용될 고에너지 저장 기술 개발에도 기여할 것으로 기대된다"고 밝혔다.
이번 연구 결과는 재료공학 분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 지난달 23일자 표지논문으로 게재됐다.
