이차전지용 층상구조 산화물 양극소재 Superstructure 형성 및 퇴화 원인 규명

강용묵 교수팀 연구결과, Journal of the American Chemical Society지 실려

▲ 강용묵 고려대 교수(왼쪽, 교신저자), Jiliang Zhang KU Research Professor, 현 중국 Dalian Jiaotong University 교수(제1저자, 오른쪽)

 

강용묵 교수(신소재공학부 / KU-KIST 융합대학원) 연구팀은 층상구조 산화물 양극 소재의 대표적인 퇴화 원인으로 생각되고 있는 Superstructure의 형성 원인을 규명하여 그 결과가 4월 26일 재료화학 분야의 세계적 학술지Journal of the American Chemical Society지에 온라인 게재됐다.

- 논문명: Regulating Pseudo-Jahn–Teller Effect and Superstructure in Layered Cathode Materials for Reversible Alkali-Ion Intercalation
- 논문 게재지: Journal of the American Chemical Society (2022년 4월 26일 online published: https://doi.org/10.1021/jacs.2c02875)

전기자동차(EV)용 리튬 이차전지의 에너지 밀도 향상에 있어서 핵심 부품으로 생각되는 양극 소재 중 층상구조 산화물 양극소재는 높은 방전 전압과 용량으로 인해 EV의 주행거리를 늘리는데 있어서 핵심 소재로 생각되고 있으며, 실제로 우리나라의 LG에너지솔루션, 삼성 SDI 등은 Ni, Co, Mn 등이 층상구조의 전이금속 자리에 들어가 있는 NCM 계열 양극소재를, 일본의 Panasonic은 Ni, Co, Al이 들어있는 NCA를 주력으로 EV 회사들과의 협력에 박차를 가하고 있다. 

수년 전 세계적인 양극소재 회사인 Umicore와 BASF 사이의 소송을 통해 본격적으로 그 중요성이 부각되었던 층상구조 산화물 양극에서의 Superstructure는 해당 소재의 구조 안정성 및 전기화학특성에 있어서 부정적인 영향을 미치는 것으로 보고되고 있으나 해당 Superstructure의 근본적인 원인과 해결책에 대한 기초 연구는 미진한 상황이다.

강용묵 교수팀은 층상구조 산화물 양극소재의 구조 안정성을 저해하는 대표적인 요인인 Jahn-Teller Distortion을 억제한 소재에 대한 정밀 분석을 통해 전이금속 주변의 산소 배위가 비대칭이 되어 전이금속이 원래 자리에서 벗어나는(Out-of-Center) 새로운 현상을 관찰했으며, 실험-이론에 근거한 포괄적인 연구를 통해 해당 현상이 Pseudo Jahn-Teller Distortion에 근거한다는 것을 세계 최초로 규명했다. 또한 연구가 진행된 나트륨 이온전지용 P2 층상구조 양극소재 외에도 리튬 이온전지용 O3 층상구조 양극소재에서도 같은 현상이 관찰될 수 있음을 확인했다.

해당 결과에 대해 강용묵 교수는 "현재 전기 자동차에 있어서 주류 양극 소재라고 할 수 있는 층상구조 산화물 양극소재의 에너지 밀도를 혁신하면서 더욱 안전하게 만들기 위해서는 Superstructure의 발생 원인에 대한 이해가 선결되어야 한다. 본 연구 결과는 Superstructure의 형성에 있어서 기존의 Jahn-Teller Distortion 이상으로 Pseudo Jahn-Teller Distortion의 중요성이 크다는 것으로 최초로 밝힌 연구로서 층상구조 산화물 양극소재에서 Superstructure의 효과적인 억제가 해당 소재의 잠재능력을 극대화하는데 아주 중요하다는 것을 보여주었다는 측면에서 의의를 가진다. 이전에 Doping, Surface coating을 통해 주로 이루어진 개질 연구가 층상구조 산화물 양극소재의 성능을 향상시키는 원인에 있어서도 Pseudo Jahn-Teller Distortion 및 Superstructure 발생 여부가 주요 인자로 생각되기 때문에 해당 관점에서의 추가적인 Case study를 통해 경쟁력 있는 원천소재 IP를 확보하는데 최선을 다할 예정이다.”라고 의의를 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 사업, 미래소재디스커버리 사업 등의 지원을 받아 이루어졌다.

 
▲ Pseudo Jahn-Teller effect 유무에 따른 층상구조 양극소재의 수명특성 차이

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)