충전상태 별 희생양극소재 코발트 전이금속의 화학적 상태 분포.[성균관대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 리튬이온전지의 안정성을 확보하고 성능을 높일 수 있는 원천기술을 개발했다.

한국연구재단은 성균관대학교 윤원섭 교수와 경희대학교 박민식 교수 공동연구팀이 리튬이온전지에 과량의 리튬을 안정적으로 제공할 수 있는 희생양극소재 개발에 성공했다고 밝혔다.

희생양극소재란 풍부한 양의 리튬이온을 제공하여 음극 소재에 의한 리튬이온 손실을 효과적으로 보상할 수 있게 하는 소재를 말한다.

고용량 리튬이온전지의 상용화를 위해서는 실리콘 기반 음극소재 적용이 필수적이지만, 이 소재의 경우 초기 충전과정에서 SEI층이 형성되면서 다량의 리튬이온이 소모되어 리튬이온전지의 성능이 저감된다는 문제가 있었다.

이에 풍부한 양의 리튬을 제공할 수 있는 희생양극소재가 해결방안으로 제시되고 있지만, 이 소재 역시 초기 충전과정에서 음이온의 산화·환원 반응에 의해 발생하는 다량의 산소 가스가 리튬이온전지의 셀 성능에 안 좋은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

연구팀은 고도화된 방사광가속기 기반의 분석을 통해 희생양극소재의 초기 충전 과정에서의 전기화학적 반응기구를 명확히 규명, 다량의 산소 가스 발생을 억제해 리튬을 안정적으로 제공할 수 있는 기술을 개발했다.

희생양극소재 중 대표적으로 사용되는 Li6CoO4의 경우 첫 충전 과정 이후 추가적인 전기화학 반응을 유발해 희생양극소재 특성에 부합하지 않았다. 연구팀은 Li6CoO4에 철(Fe)을 치환해 안정적인 Fe2O3 상의 형성을 유도, 추가적인 전기화학반응을 유발하는 LiCoO2 중간상의 비율을 감소시켰다. 이를 통해 전기화학적 특성 약화 및 산소(O2) 가스 발생 억제를 유도해 희생양극소재의 구조적 안정성 확보 및 전하보상 기능을 개선시킬 수 있었다.

희생양극소재 적용 리튬이온전지 반응기구 도식화.[성균관대학교 제공]

기존 연구에서는 분석기법의 한계로 희생양극소재의 전기화학적 반응기구를 이해하기 어려웠지만, 이번 연구에서 사용된 X-선 흡수 근접 엣지 구조 분석(XANES), 확장 X-선 흡수 미세구조 분석(EXAFS), 그리고 연 X-선 흡수 분광법(Soft XAS) 등의 고도분석 기법을 통해 이 문제를 해결할 수 있었다.

윤원섭‧박민식 교수는 “그동안 명확하게 규명되지 않았던 희생양극소재의 결정구조 변화와 전하 보상 반응기구의 심층적인 이해를 제공할 수 있었다”며 “희생양극소재를 적용한 고성능 리튬이온전지 설계에 대한 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 전망된다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 지원으로 수행된 이번 연구는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 11월 표지논문(Front Cover)으로 선정됐다.