경북 구미시에 있는 금오공과대학교 신소재공학부 전지신소재연구실(Advanced Battery Materials Lab.) 박철민 교수(사진) 연구팀이 고성능 리튬이차전지용 신개념 리튬화합물 음극 소재 개발에 성공했다고 4일 밝혔다.
이 연구팀은 최근 신개념 음극 소재로 분류될 것으로 기대되는 다양한 리튬화합물(Li-compound)을 제조한 데 이어, 이를 리튬이차전지용 음극 소재로 적용해 성능 우수성을 확인했다.
고용량의 이차전지를 구현하기 위해서는 이론용량이 높은 리튬 금속 및 실리콘을 음극 소재로 사용해야 하지만, 현재 상용화되는 흑연 음극소재는 제한적 용량(372 mAh/g)으로 고용량 이차전지를 구현이 어렵다.
리튬 금속은 금속 자체의 높은 반응성으로 안전성 우려가 있고, 실리콘 음극은 충전 및 방전시 수명이 짧아진다. 또한, 이러한 음극들은 초기 충전 시 일정량의 리튬이온이 영구 손실되는 문제도 있다.
영구 손실되는 리튬이온은 이차전지 가격에서 가장 큰 비중을 차지하는 양극에서 제공되기 때문에 초기 손실을 줄이고, 초기효율을 높일수 있는 관련 기술이 다양하게 연구되고 있다.
현재 알려진 대표적인 방법은 리튬을 음극 소재에 미리 저장시키는 ‘사전리튬화(pre-lithiation)’ 기술이다. 하지만, 사전리튬화 기술은 복잡한 공정과 제어가 요구되며, 사전리튬화 처리된 소재는 대기 중에서 높은 반응성을 보이기 때문에 실제 상용화는 어렵다.
이러한 기존 음극 소재의 한계를 극복하기 위해, 박철민 교수 연구팀은 다양한 리튬화합물 음극 소재 개념을 새롭게 제안했다. 리튬화합물 음극 소재는 기존 상용화된 음극 소재들과 비교해 더 높은 초기 효율과 용량, 그리고 출력 특성을 보였다. 또한, 리튬화합물 음극은 일반적인 대기 중에서도 높은 안정성을 보인 점이 주목할 만하다.
박 교수는 “이번 성과는 리튬이차전지는 리튬을 포함하는 양극소재 및 리튬을 포함하지 않는 음극소재로 구성된다는 기존 사고의 틀을 벗어나는 것으로, 이차전지 전극 소재 관련 연구에 새로운 패러다임을 제시할 것이며, 고성능 음극 소재의 실질적 상용화에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
관련 연구는 나노소재분야 세계적 권위지 ‘ACS Nano(IF=18.027)’온라인판에 9월 27일자로 게재됐으며, 연구 결과의 중요성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.
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