한양대 ERICA 연구진, 배터리 '리튬 과잉 양극재' 수명 저하 원인 규명

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 한양대학교 ERICA(에리카)는 방진호 에너지바이오학과 교수 연구팀이 차세대 배터리의 핵심 소재인 '리튬·망간 과잉 양극재'의 수명을 좌우하는 원인을 규명했다고 31일 밝혔다.

리튬 과잉 양극재(LMR)는 기존 양극재보다 높은 용량을 구현할 수 있어 차세대 배터리 소재로 주목받고 있다. 전이 금속뿐 아니라 산소의 산화·환원 반응인 '음이온 산화환원'을 활용해 추가 용량을 확보할 수 있기 때문이다.

그러나 충방전을 반복하면 산소 반응이 비가역적으로 진행되면서 산소가 방출되고, 전압과 용량이 점차 감소하는 문제가 발생한다. 이러한 성능 저하는 리튬 과잉 양극재의 상용화를 가로막는 주요 난제로 꼽혀 왔지만, 이를 일으키는 근본적인 구조적 원인은 명확하게 밝혀지지 않았다.

이에 연구팀은 화학 조성은 같지만 입자 구조가 다른 두 종류의 양극재를 비교했다. 내부에 여러 개의 작은 결정과 결정립 경계면이 존재하는 다결정 양극재와 결정립 경계면이 없는 단결정 양극재를 활용해 입자 구조에 따른 결함의 밀도와 분포, 배터리 성능의 차이를 분석했다.

원자 수준의 전자현미경으로 관찰한 결과, 다결정 양극재의 결정립 경계면에는 적층 결함이 높은 밀도로 집중돼 있었다. 이러한 결함 영역은 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 충방전에도 우수한 성능을 보였다.

이번 연구를 통해 연구팀은 문제의 원인이 양극재 입자 내부에 형성된 적층 결함에 있다는 점을 세계 최초로 밝혔다. 실제 배터리 성능 평가에서도 두 양극재의 차이가 뚜렷하게 나타났다. 100회 충방전 후 다결정 양극재는 용량이 크게 감소했지만, 단결정 양극재는 초기 용량을 안정적으로 유지했다.

연구를 주도한 방 교수는 "이번 연구를 통해 양극재의 거시적인 입자 형태뿐 아니라 나노 수준의 결정 결함을 제어하는 것이 배터리 수명과 안정성 확보에 중요하다는 사실을 실험적으로 입증했다"고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난 20일 온라인 게재됐다.

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