- 첨단 실시간 분석법을 통해 소재 결함 형성 원인 밝혀내
- 세계적 학술지 ‘네이쳐 케미스트리’에 게재
좌측부터 서울대학교 재료공학부 강기석 교수, 화학생물공학부 박정원 교수, 한국표준과학연구원 박혁준 박사, 서울대학교 화학생물공학부 박하영 연구원
서울대학교 공과대학(학장 이병호)은 강기석·박정원 교수 연구팀이 리튬이차전지 차세대 양극 소재로 전세계적인 주목을 받고 있는 하이 니켈(high-Ni) 양극 소재의 합성 비밀을 밝혀내고, 저품질 합성 원인을 규명했다고 밝혔다.
전기자동차 보급과 시장이 확대됨에 따라 전기자동차용 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, 전기자동차의 주행거리를 늘리면서 가격을 낮추기 위해서는 저가이면서 고용량인 전지 소재 개발이 중요한 화두로 떠올랐다.
하이 니켈(high Ni) 양극 소재는 니켈-코발트-망간을 함유하고 있는 층상계 소재 중 가격이 비싼 코발트 사용을 최소화하면서, 용량을 극대화할 수 있는 차세대 양극소재로 주목받고 있다. 하이 니켈 양극소재는 에너지 밀도도 높고 가격경쟁력도 우수하지만 소재의 안정성이 높지 않아 합성이 까다롭고, 수명 특성이 저조한 문제가 있다.
특히, 합성 결과 나타나는 입자의 모양이나 구조결함 등이 성능에 중요한 영향을 미침에도 불구하고 이러한 현상들이 합성 과정에서 왜 발생하는지, 또한 어떻게 극복할 수 있는 등은 베일에 가려져 있어왔으며, 현재까지 이러한 차세대 양극 소재의 합성과 개발은 경험과 시행착오를 통해 이뤄져 왔다.
(상단) 불균일한 합성 반응에 의한 하이 니켈 양극 소재 형상 변화에 대한 실시간 전자현미경 관찰 결과, (하단) 합성 조건에 따른 하이 니켈 양극 소재 합성 반응 경로 및 구조 결함 형성 과정에 대한 모식도
강기석·박정원 교수 연구팀은 최첨단 실시간 전자현미경 분석을 이용하여 양극 소재의 합성 반응을 직접 관찰하는데 성공하였으며, 관찰 결과 합성 조건/전구체(precursor)에 따라 반응이 불균일하게 일어나며, 이러한 현상이 합성상의 부산물 형성, 구조 결함 발생으로 이어지는 것을 밝혀냈다.
또한, 균일한 반응이 일어날 수 있도록 전구체 종류 등 합성 조건을 조절하면 구조 결함 형성을 억제할 수 있다는 점을 규명해냈다.
이번 연구 결과는 첨단 분석법을 이용하여 그간 풀리지 않던 문제를 해소했다는 점에서 학계에 큰 반향을 일으키고 있으며, 향후 산업계에서 양극소재 합성 개발에 다양하게 응용 활용될 것으로 기대된다.
또한 하이 니켈 양극 소재를 고품질로 만들 수 있는 합성 기술의 실마리를 제시했다는 점에서 차세대 저가/고용량 이차전지 개발에도 박차를 가할 수 있을 것으로 예상된다.
이러한 성과를 인정받아 본 연구 결과는 화학 분야 세계적인 학술지인 ‘네이쳐 케미스트리 (Nature Chemistry)’에 게재되었다.
한편, 이번 연구는 서울대학교 강기석 교수와 박정원 교수 연구팀의 주도로 한국표준과학연구원 등 국내 여러 연구기관들과의 협업을 통해 이루어졌다.
[문의사항]
서울대학교 공과대학 재료공학부 에너지신소재연구실 박혁준 / hyuckjun7@gmail.com