성균관대 윤원섭 교수팀, 전기차 배터리 용량 2배 증가 연구 발표

무질서구조 리튬-몰리브데늄-크롬 산화물 국부 분리 모식도. (출처=성균관대학교)

성균관대학교는 에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀이 전기자동차 배터리 용량을 2배 증가시킬 수 있는 연구 결과를 발표했다고 22일 밝혔다.

전기차 배터리 시장이 확대되면서 필수 소재인 고용량 양극소재 개발이 활발하게 이뤄지고 있다. 현재 사용되고 있거나 곧 사용될 NCM, NCA 등 하이니켈계 양극소재는 용량이 약 200mAh/g이다. 최근 주목받고 있는 신개념 무질서 양극소재의 용량은 약 400mAh/g에 달한다.

다만 무질서 양극소재에서 양이온 분포의 실제 형태 및 연관된 반응 메커니즘에 대한 이해가 불완전하고, 수명 및 출력특성을 향상시켜 실제 상용화 단계로 끌어올리기 위한 구체적인 구조 및 작동 메커니즘이 요구되고 있다.

윤 교수팀은 초기 규칙적으로 잘 정렬된 층상구조에서 충·방전 이후 무질서구조로 변화하는 특성을 가진 리튬-몰리브데늄-크롬 산화물을 방사광가속기 X-선 및 전기화학 방법을 통해 관찰, 무질서구조 형성 과정에서 발생하는 특성 변화를 체계적으로 분석했다.

그 결과 무질서구조 형성 시 무작위로 분산되는 것처럼 보이는 양이온들이 실제로는 원자 수준에서 일정한 규칙을 갖는 분리된 도메인을 형성하는 것을 확인했다.

연구팀은 이것의 형태에 따라 리튬확산 경로가 결정된다는 것을 발견, 이들이 전지 성능에 미치는 역할을 규명했다.

이하연 연구원은 “향후 전기자동차 주행거리 증가에 필수적인 새로운 고에너지 밀도 양극소재로서 무질서구조 기반 소재들이 최근 큰 가능성을 보여주고 있다. 이번 연구는 이들의 구조-특성-성능 간의 상관관계를 밝혀냄으로써 새로운 소재 설계에 필요한 중요한 정보를 제공했다”고 연구 의미를 설명했다.

한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy materials)’ 표지 논문으로 선정돼 1월 21일 온라인으로 출판됐다.


류용환 기자 fkxpfm@viva100.com