왼쪽부터 방진호 교수, 김찬휘 연구원, 안선후 연구원(사진=한양대)
리튬 과잉 양극재(LMR)는 기존 양극재보다 높은 용량을 구현할 수 있어 차세대 배터리 소재로 주목받고 있다. 전이금속뿐 아니라 산소의 산화·환원 반응인 ‘음이온 산화환원’을 활용해 추가 용량을 확보할 수 있어서다.
문제는 충·방전을 반복하면 산소 반응이 비가역적으로 발생하면서 산소가 방출되고 전압·용량이 점차 감소한다는 점이다. 이러한 성능 저하는 상용화를 가로막는 난제지만, 지금까지 근본 원인이 밝혀지지 않았다.
연구팀은 문제의 원인이 양극재 입자 내부에 형성된 적층 결함에 있다는 점을 밝혀냈다. 적층 결함은 원자가 일정한 순서로 배열된 결정 구조의 일부가 어긋난 상태를 의미한다.
연구팀은 화학 조성은 같지만 입자 구조가 다른 두 종류의 양극재를 비교했다. 단결정 양극재를 활용해 입자 구조에 따른 결함의 밀도와 분포, 배터리 성능 차이를 분석한 것이다.
특히 원자 수준의 전자현미경 관찰 결과 다결정 양극재의 결정립 경계면에는 적층 결함이 높은 밀도로 집중돼 있었다. 이는 충전 과정에서 과도한 산소 산화를 촉진하는 ‘촉매 활성점’으로 작용하는 것으로 나타났다. 이 과정에서 양극재의 안정적인 층상 구조가 비가역적인 암염 구조로 변하고 전해질 분해가 가속되면서 전압과 용량이 감소했다. 반면 적층 결함이 적은 단결정 양극재에서는 산소와 격자 구조가 안정적으로 유지돼 반복적인 충·방전에도 우수한 성능을 보였다.
이번 연구는 교육부의 대학중점연구소 사업 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 재료 분야 저명 국제학술지(Advanced Functional Materials)에 7월 20일 자로 게재됐다.
방진호 교수는 “이번 연구를 통해 양극재의 거시적인 입자 형태뿐 아니라 나노 수준의 결정 결함을 제어하는 것이 배터리 수명과 안정성 확보에 중요하다는 사실을 입증했다”며 “향후 고에너지 배터리 소재 전반의 내구성을 높이는 설계 전략으로 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 했다.
