신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 기존에 사용되던 리튬이온 배터리 양극재보다 용량과 안정성이 높은 소재 개발에 성공했다. 이는 최근 수요가 증가하고 있는 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해 필수적인 고용량 배터리 개발에 크게 기여했다는 점에서 의의가 있다. 이번 연구 결과는 지난 1월 29일 국제 학술지 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)>에 게재되었다.

리튬이온 배터리

    리튬이온 배터리는 크게 네 가지 구성요소로 이루어진다. 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하는 양극, 이온이 이동하는 전해액, 양극에서 나온 리튬이온을 저장하고 방출하며 외부회로에 전류를 공급하는 음극, 마지막으로 양극과 음극의 접촉을 차단하는 분리막이다. 리튬은 원소 상태보다 산화물 상태일 때 안정성이 더 높기 때문에 양극에는 리튬산화물이 사용된다. 오늘날 사용되는 양극재는 준수한 성능과 안정성이 확인된 리튬코발트산화물이 가장 보편적이며, 이는 현재 대부분 모바일 전자기기 배터리의 양극재이기도 하다. 한편 전기자동차의 경우 성능은 리튬산화물보다 낮은 대신 가격이 저렴한 혼합금속산화물을 양극재로 사용한다. 사용되는 양극재의 종류에 따라 배터리의 용량이 결정되기 때문에, 고용량이면서 안정성이 높은 양극재를 개발하는 것이 리튬이온 배터리 연구의 핵심 요소 중 하나이다.

리튬 과잉 양극 소재

    리튬이온 배터리의 용량은 양극재에 저장된 리튬이온의 양으로 결정된다. 전기자동차에 쓰이는 리튬이온 배터리 양극재는 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 산화물이다. 하지만 이들의 용량은 200mAh/g 정도이기 때문에 전기자동차가 충분한 거리를 주행하기에는 한계가 있다. 반면, 리튬 과잉 양극재는 리튬이 과량으로 포함되어 그 용량이 250mAh/g에 달해, 기존 산화물보다 약 20% 더 높은 용량을 가진다. 그러나 리튬 과잉 양극재는 충전과 방전 과정에서 비가역적 산소 방출 현상이 나타나 양극재의 구조가 스피넬 구조로 변화되고, 이로 인해 배터리의 안정성이나 기능이 감소된다는 문제점이 있다.

바나듐이온 도핑 기술

    양극재의 표면에서 주로 일어나는 비가역적 산소 방출 반응을 억제하기 위해, 연구팀은 바나듐이온을 리튬 과잉 양극 소재의 표면에 도핑하는 기술을 개발했다. 리튬이온 전지에 충전과 방전을 100 사이클 반복한 후 안정성을 확인한 결과, 바나듐이온을 도핑한 소재는 244.3±0.8mAh/g으로 기존 용량의 92%를 유지했다. 같은 실험에서 바나듐이온을 도핑하지 않은 리튬 과잉 양극 소재는 233.6±1.1mAh/g으로 74%의 비교적 낮은 안정성을 보였다. 뿐만 아니라 바나듐이온을 도핑하지 않은 양극재는 첫 번째 충전과 방전에서 69%의 산소 반응 가역성을 보이는 데 그쳤지만 바나듐이온을 도핑한 양극재의 경우 81%에 달하는 가역성을 나타냈다. 전압의 경우 기존 리튬 과잉 양극재는 0.43V 감소한 반면, 바나듐 도핑 양극재는 0.33V 감소해 안정성 측면에서 크게 향상되었다.

    전기자동차에 쓰이는 혼합금속산화물 양극재는 현재 활발히 연구되고 있는 분야다. 현재 사용되는 양극재보다 높은 에너지 밀도를 가진 리튬 과잉 양극 소재는 충전 및 방전 과정에서 비가역적 산소 방출 반응으로 인해 구조가 변하는 안정성 문제가 있다. 이번 연구는 이런 문제점을 해결하고 안정성 높은 차세대 고용량 배터리 개발에 포문을 열었다는 점에서 의미가 있다. 뿐만 아니라 비교적 간단한 공정 과정을 가지고 있어 향후 산업화를 하는데 있어서 유리할 것으로 기대된다.