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이지훈 교수팀, 리튬이온전지 양극재 고전압·장주기 특성 향상 위한 상변화 제어 기술 개발
- 2023-02-27 09:55
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재료 분야 국제학술지 ‘ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스’ 표지 논문 선정
신소재공학부 이지훈 교수팀과 강원대 화공생물공학부 이현정 교수팀이 리튬이온전지용 양극재인 리튬코발트산화물(LCO)의 고전압·장주기 특성 향상을 위한 상변화 제어 기술을 개발했다.
리튬이온전지를 구성하는 중요 요소 중 하나인 양극은 충전 과정에서 음극에 리튬이온을 제공하고, 방전과정에서 다시 음극으로부터 리튬이온을 되돌려받는다. 따라서, 양극소재가 얼마나 높은 전압에서 많은 양의 리튬이온을 반복적으로 공급·회수할 수 있는지에 따라 리튬이온전지의 에너지 밀도가 결정된다.
리튬코발트산화물은 리튬과 코발트가 산소에 의해 둘러싸인 팔면체 층들이 한 층씩 번갈아가며 존재하는 대표적인 층상구조의 양극재이다. 그러나 4.5 V이상 고전압 구동 시, 양극재의 층상 구조가 붕괴되고 입자가 잘게 부서지는 현상 등 해결하지 못한 난제가 여전히 존재하고 있다. 특히, 리튬코발트산화물 양극재로부터 리튬이온을 빼내는 충전 과정에서 발생하는 상변화 과정은 매우 복잡하고 비가역적이기 때문에 이 과정에 대한 명확한 이해가 절실히 요구되는 상황이다.
이지훈 교수팀은 고온에서 액체 상태로 존재하는 화합물(용융염)을 이용해 기존의 리튬코발트산화물 다결정 양극재를 단결정 양극재로 합성하고, 합성 조건을 조절해 리튬 이온의 삽·탈입에 유리한 입자 형상을 탐색했다.
그 결과, 일반적인 판상형이 아닌 구형 입자로 합성 시 리튬 이온의 확산에 유리한 통로가 확보되어 장주기 수명 특성이 극적으로 향상되는 것을 확인했다. 또한, 코발트(Co)를 대신해 마그네슘(Mg)을 도핑하면, 고전압에서 필연적으로 발생하는 능면정계(Rhomohedral)-단사정계(Monoclinic) 상전이를 효과적으로 억제해 고전압 구동에도 매우 안정적인 수명 특성을 확보할 수 있었다.
특히, 이 교수팀은 포항가속기연구소에서 실시한 실시간 X선 분석으로 마그네슘 이온이 도핑된 리튬코발트산화물 구형 양극재는 코발트와 산소 간의 결합 강도가 조절되어 충·방전 과정에서도 부피 변화가 최대 30%가량 억제되는 것을 확인해 반복 사용에도 성능이 떨어지지 않는 근거로 제시했다.
이지훈 교수는 “입자의 형상 제어와 마그네슘 이온 도핑을 통해 층상구조 양극재의 상변화를 효과적으로 제어할 수 있는 합성 전략을 제시했다는 점에서 이번 연구의 의의를 찾을 수 있다. 오랜 기간 연구된 소재라고 할지라도, 여전히 충？방전 메커니즘이 모호한 소재들이 많이 있다. 이번 연구는 차세대 양극재를 설계하는데 크게 기여할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.
이번 연구의 교신저자는 이지훈 교수, 제 1저자는 배진규 석사과정생이며, 연구 결과는 미국 화학회(ACS)에서 출간되는 국제 저명학술지인 ‘ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)’ 2월 15일자에 게재됐으며, 표지논문으로 선정되어 그 중요성을 인정받았다.
신소재공학부 이지훈 교수팀과 강원대 화공생물공학부 이현정 교수팀이 리튬이온전지용 양극재인 리튬코발트산화물(LCO)의 고전압·장주기 특성 향상을 위한 상변화 제어 기술을 개발했다.
리튬이온전지를 구성하는 중요 요소 중 하나인 양극은 충전 과정에서 음극에 리튬이온을 제공하고, 방전과정에서 다시 음극으로부터 리튬이온을 되돌려받는다. 따라서, 양극소재가 얼마나 높은 전압에서 많은 양의 리튬이온을 반복적으로 공급·회수할 수 있는지에 따라 리튬이온전지의 에너지 밀도가 결정된다.
리튬코발트산화물은 리튬과 코발트가 산소에 의해 둘러싸인 팔면체 층들이 한 층씩 번갈아가며 존재하는 대표적인 층상구조의 양극재이다. 그러나 4.5 V이상 고전압 구동 시, 양극재의 층상 구조가 붕괴되고 입자가 잘게 부서지는 현상 등 해결하지 못한 난제가 여전히 존재하고 있다. 특히, 리튬코발트산화물 양극재로부터 리튬이온을 빼내는 충전 과정에서 발생하는 상변화 과정은 매우 복잡하고 비가역적이기 때문에 이 과정에 대한 명확한 이해가 절실히 요구되는 상황이다.
이지훈 교수팀은 고온에서 액체 상태로 존재하는 화합물(용융염)을 이용해 기존의 리튬코발트산화물 다결정 양극재를 단결정 양극재로 합성하고, 합성 조건을 조절해 리튬 이온의 삽·탈입에 유리한 입자 형상을 탐색했다.
그 결과, 일반적인 판상형이 아닌 구형 입자로 합성 시 리튬 이온의 확산에 유리한 통로가 확보되어 장주기 수명 특성이 극적으로 향상되는 것을 확인했다. 또한, 코발트(Co)를 대신해 마그네슘(Mg)을 도핑하면, 고전압에서 필연적으로 발생하는 능면정계(Rhomohedral)-단사정계(Monoclinic) 상전이를 효과적으로 억제해 고전압 구동에도 매우 안정적인 수명 특성을 확보할 수 있었다.
특히, 이 교수팀은 포항가속기연구소에서 실시한 실시간 X선 분석으로 마그네슘 이온이 도핑된 리튬코발트산화물 구형 양극재는 코발트와 산소 간의 결합 강도가 조절되어 충·방전 과정에서도 부피 변화가 최대 30%가량 억제되는 것을 확인해 반복 사용에도 성능이 떨어지지 않는 근거로 제시했다.
이지훈 교수는 “입자의 형상 제어와 마그네슘 이온 도핑을 통해 층상구조 양극재의 상변화를 효과적으로 제어할 수 있는 합성 전략을 제시했다는 점에서 이번 연구의 의의를 찾을 수 있다. 오랜 기간 연구된 소재라고 할지라도, 여전히 충？방전 메커니즘이 모호한 소재들이 많이 있다. 이번 연구는 차세대 양극재를 설계하는데 크게 기여할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.
이번 연구의 교신저자는 이지훈 교수, 제 1저자는 배진규 석사과정생이며, 연구 결과는 미국 화학회(ACS)에서 출간되는 국제 저명학술지인 ‘ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)’ 2월 15일자에 게재됐으며, 표지논문으로 선정되어 그 중요성을 인정받았다.
