KAIST, 리튬 과잉 양극재 안정성 높였다

[아이뉴스24 최상국 기자] '리튬 과잉 양극재'는 리튬이온전지의 에너지 저장용량을 늘릴 수 있는 대안으로 각광받고 있는 새로운 소재다.

현재 상용화된 니켈-코발트-망간(NCM)계 양극 소재의 최대 용량은 200mAh/g 정도지만, 리튬 함량을 높인 '리튬 과잉 양극재'는 250mAh/g까지 용량을 늘릴 수 있다.

하지만 양극의 리튬 함량을 높이기 위해 도입한 산소층의 불안정성 때문에 상용화되지 못하고 있다.

KAIST 신소재공학과 조은애 교수 연구팀은 "현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량의 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다"고 3일 발표했다.

연구팀은 양극재 표면에 선택적으로 바나듐(V) 이온을 도핑하는 기술로 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높이는 데 성공했다고 설명했다.

리튬 과잉 양극 소재는 에너지밀도를 높이기 위해 전이금속이온뿐만 아니라 양극 내 산소이온의 산화·환원 반응까지 이용해 용량을 발현한다. 이로 인해 다양한 문제가 발생하는데 가장 핵심적인 문제점은 첫 충·방전 시 양극소재 표면의 산소이온이 비가역적으로 산화 환원 반응을 일으키며 추출되는 현상이다. 이에 따라 양극재의 구조가 붕괴되고 배터리 성능을 급속히 떨어뜨린다.

연구팀은 비가역적 산소 반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 선택적으로 바나듐(V) 이온을 도핑하는 기술을 개발해 안정성을 높였다. 기존의 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충·방전에서의 가격성이 69%에 불과하지만, 연구팀이 개발한 바나듐 도핑 양극재는 81%에 달하는 높은 가역성을 나타냈다. 또한 100회 충·방전 이후에도 92%의 용량 저장 효율을 유지했다.

조은애 교수는 "도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전 시 가역적인 산화·환원 반응이 가능하도록 했다. 전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다"고 말했다.

KAIST 신소재공학과 이용주 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 1월 29일자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Promoting the Reversible Oxygen Redox Reaction of Li-excess Layered Cathode Materials with Surface Vanadium Cation Doping)

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