경북대학교·성균관대학교·경희대학교 공동연구팀이 차세대 고용량 배터리의 핵심 난제인 산소 반응의 불안정성을 해결할 새로운 설계 원리를 제시했다.
이번 연구는 고에너지 밀도 배터리의 성능과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 전략으로, 차세대 전기차와 대규모 에너지저장장치(ESS), 전고체 배터리 등에 활용될 고용량 양극 소재 개발의 새로운 방향을 제시했다.
이원태 경북대 화학교육과 교수 연구팀은 윤원섭 성균관대 교수, 박민식 경희대 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 리튬이 풍부한 니켈 기반 양극 소재에서 충전 과정 중 발생하는 산소 반응의 불안정성을 제어할 수 있는 구조 설계 원리를 규명했다.
리튬이온배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해서는 양극 소재가 더 많은 에너지를 저장할 수 있어야 한다. 최근에는 기존의 전이금속 산화·환원 반응뿐만 아니라 산소까지 전기화학 반응에 참여시키는 '음이온 산화·환원' 기반의 차세대 고용량 양극 소재가 차세대 배터리 기술의 핵심으로 주목받고 있다.
그러나 이러한 소재는 충전 과정에서 결정 구조에 결합된 산소가 기체 형태로 방출되는 문제가 있다. 산소가 방출되면 결정 구조가 불안정해지고 미세 균열과 구조 붕괴가 발생해 배터리의 성능과 수명이 급격히 저하된다. 이 때문에 음이온 산화·환원 소재의 상용화를 가로막는 가장 큰 기술적 난제다.
연구팀은 기존 상용 양극 소재보다 훨씬 높은 에너지 저장 능력을 갖지만, 충전 과정에서 구조가 무질서해지며 산소가 방출되는 리튬니켈옥사이드(Li2NiO2) 계열 양극 소재에 주목했다. 연구팀은 소재 내부에 소량의 플루오린(F)을 도입하는 원자 수준의 설계 전략을 통해 이러한 문제 해결의 실마리를 발견했다.
플루오린이 도입되면 소재 내부에 리튬-산소-금속-플루오린(Li-O-M-F) 결합 구조가 형성된다. 이 구조는 산소의 전자 상태를 더욱 안정화해 충전 과정에서 산소가 기체로 방출되는 시점을 늦추고, 산소 반응을 보다 안정적으로 유지하는 역할을 한다.
그 결과 기존 소재에서 나타나던 산소 방출이 효과적으로 억제됐으며, 대신 니켈 금속 이온이 전기화학 반응에 더 크게 기여하는 것으로 확인됐다. 이를 통해 구조 붕괴와 미세 균열 발생이 크게 감소했고, 배터리의 수명과 구조적 안정성이 동시에 향상됐다.
이원태 교수는 “이번 연구는 리튬이 풍부한 차세대 양극소재의 고질적인 산소 불안정성을 해결할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다. 원자 수준의 미세 구조 제어를 통해 산소 반응과 구조 안정성을 동시에 조절할 수 있음을 규명함으로써 차세대 고에너지 배터리 개발의 새로운 방향성을 제시했다”고 설명했다.
한편, 이번 연구 결과는 최근 세계 최고 권위 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈'애 표지논문으로 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
