에너지과학과(DOES) 윤원섭 교수 연구팀은 전기차 배터리의 핵심 요소 중 하나인 니켈(Ni) 양극소재에서 니켈(Ni)의 함량에 따라 변화하는 결정구조 특성 및 소재의 성능, 그리고 전기화학 반응 중 나타나는 소재의 구조 거동을 관찰하였다. 이를 통해 고(高)에너지 소재를 개발하는 데에 기존의 고정 관념을 깨는 주요한 인자(Key factor)들을 발견하였으며, 1회 충전에 서울에서 부산까지(약 400km) 주행 가능한 고밀도 전지 개발의 시대를 열었다.

4차 산업혁명의 개념과 함께 전기차(Electric vehicle)의 시대가 도래하면서 자동차의 내연기관을 배터리가 대체한다. 따라서 전기차 상용화 사업에서 고(高)함량 니켈(Ni)계 양극소재는 장거리 주행 전기차의 핵심 소재로서 각광받고 있다. 본 연구 이전까지는 니켈(Ni) 원소의 양을 증가시킴과 동시에 다른 원소들의 양은 일정하지 않은 비율로 변화시키는 연구들이 진행되었고 니켈 원소를 활용하여 고(高)에너지 소재 개발에 박차를 가하는 데 어려움이 있었다. 

연구팀은 다른 원소들이 소재의 구조 특성에 미치는 영향을 최대한 배제할 수 있도록 구성 원소들의 함량을 체계적으로 제어하여 니켈(Ni) 원소의 함량에 따른 결정구조 특성 변화를 관찰하였다. 이를 통해 실제 니켈(Ni) 원소의 함량이 증가할수록 리튬 이온이 이동하는 통로(lithium ion channel)의 크기 증가와 리튬의 이동을 방해하는 양이온 무질서도(Cation disorder)의 감소현상을 파악하여 그간 어려움이 있던 고(高)에너지 소재 개발에 탄력을 줄 수 있게 되었다. 

또한 층상구조 양극소재에서 특정 원소의 함량만으로도 리튬 이온 통로(lithium ion channel)의 크기를 조절(control)할 수 있다는 사실을 보여줌으로써 원자 수준(atomic level)에서의 고속 충-방전 소재를 디자인할 수 있는 새로운 가능성을 제공하고 있다.

더 나아가 본 연구에서는 층상구조에서 c축이 붕괴되더라도 실제 리튬 이온이 결정 구조 내에서 이동할 수 있는 환경을 유지한다는 사실을 발견함으로써, 전극 구조 내에 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 길을 열었다. 

에너지과학과 (DOES) 윤원섭 교수와 이원태 연구원이 수행한 본 연구는 소재과학(material sciences)분야의 세계적인 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy Materials, IF 16.72) 에 표지로 선정되었다. (2018.02.06.)