에너지과학과(DOES) 윤원섭 교수 연구팀이 리튬이온이차전지 핵심 요소 중 하나인 니켈(Ni)기반 양극소재에서 낮은 니켈 함량으로도 전지 구동 설계에 따라 고(高)에너지, 장(長)수명, 열적 고(高)안정성을 확보할 수 있다는 사실을 규명하였다.

탄소중립선언과 함께 화석연료기반 내연기관의 종식이 가속화되며 전기차(electric vehicles)의 시대가 앞당겨지고 있다. 이에 따라 고함량 니켈계 층상구조 양극소재는 장거리 주행에 있어 전기차용 리튬이온이차전지 핵심 소재로서 주목받고 있다. 하지만 니켈 함량이 높아질수록 저장할 수 있는 에너지량은 증가하나 열안정성이 낮아지는 소재의 고유한 특성으로 인해 안전과 직결되는 화재의 위험에 노출되어 있다. 

연구팀은 니켈 함량이 낮은 층상구조 소재를 높은 작동전압으로 전지 구동 조건을 설계해 높은 니켈 함량의 소재와 동일한 방전용량으로 설정한 뒤 다양한 구조적, 전기화학적, 열분해 특성을 조사하였다. 이를 통해 니켈함량이 낮은 소재가 과충전(overcharge) 영역에서 이방성 격자 왜곡이 적고, 리튬 이온이 이동하는 통로 (lithium ion channel)가 더 잘 유지되고 있음을 확인하였다. 더욱이 장기간 수명평가 후 열화(degradation)된 상태에서 저함량 니켈 소재의 경우 고함량 니켈 소재 대비 입자내 균일한 화학적 상태 분포와 함께 입자 분쇄 및 미세 균열이 적음을 관찰하였다.

또한 소재의 열분해 메커니즘 (thermal decomposition mechanism)분석을 통해 저함량 니켈 소재의 경우 고함량 니켈 소재보다 높은 전압조건의 충전상태임에도 불구하고 더 나은 열적안정성을 보여줌으로써 화재 위험이 낮은 리튬이온이차전지를 디자인 할 수 있는 새로운 가능성을 입증하고 있다.

해당 연구를 통해 높은 구조적, 화학적, 열적 안정성을 가지는 저함량 니켈기반 층상구조 양극 물질이 전지구동조건 설계에 따라 기존의 높은 열적 불안정성을 지닌 고함량 니켈기반 층상구조 양극소재의 대안이 될 수 있다는 사실을 규명함과 동시에, 더 나아가 리튬이온이차전지 설계 요소를 확장시킬 수 있는 합리적인 전략을 제공하였다.

이원태 연구교수는 “장거리 주행과 안전성이 확보된 전기차를 위해 이차전지 분야에서 다양한 에너지 저장 소재들이 연구·개발되고 있다. 본 연구는 전략적 접근을 통해 기존 소재로도 경쟁력 있는 이차전지를 구현할 수 있다는 것을 규명함으로써 고(高)에너지 소재 개발에 초점이 맞추어져 있던 연구 기조를 환기하고 이차전지 설계 요소를 다양화하는 계기가 될 것이다.”라고 연구 의미를 설명했다.

에너지과학과 (DOES) 윤원섭 교수와 정미희 연구원, 이원태 연구교수가 수행한 본 연구는 소재과학(material sciences)분야의 세계적인 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy Materials, IF 29.368) 에 표지(back cover)로 선정되었다. (2022.02.24.) 

[그림 1] 저(低)함량 및 고(高)함량 니켈기반 층상구조 소재의 리튬 함량에 따른 결정구조 변화 비교.

[그림 2] 저(低)함량 및 고(高)함량 니켈기반 층상구조 소재의 초기 및 400회 충-방전 이후 입자내 화학적 상태 분포.

[그림 3] 저(低)함량 및 고(高)함량 니켈기반 층상구조 소재의 열분해 메커니즘 비교.