【브레이크뉴스 경북 포항】이성현 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 신소재공학부 강병우 교수, 이정화 박사 연구팀은 차세대 고용량 양극재로 주목받고 있는 리튬 과량(Li-rich) 층상구조 물질의 합성법 조절을 통해서 500사이클 이상 충·방전이 안정적으로 유지되는 고에너지 밀도의 양극 소재를 개발했다고 22일 밝혔다.

▲ 강병우 교수, 이정화 박사  © POSTECH

이번 연구 결과로 리튬 전지로 장거리를 운행할 수 있는 전기자동차를 만날 수 있는 날이 한층 가까워졌다.

이 연구 성과는 미국화학협회 에너지 분야 학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 게재됐다.

전기자동차 주행거리와 충·방전 사이클은 리튬 이차 전지의 양극 소재의 특성에 의해 결정된다. 양극에서 나온 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 전기를 만드는데, 리튬 과량 층상구조 양극 소재의 경우에 많은 양의 리튬이 탈리(脫離), 삽입되는 과정에서 사이클 수가 급격하게 저하된다.

특히, 높은 충전 상태에서 많은 양의 리튬이 탈리되고 산소 반응이 일어나게 되면, 구조적인 붕괴가 일어나게 되고 이후 충·방전 특성과 고에너지 밀도를 유지할 수 없게 된다. 이로 인해서 사이클 특성이 저하되는 것이 상용화에 걸림돌이 됐다.

리튬 과량 층상구조 물질에서 전이 금속과 리튬 층 사이 원자의 불규칙한 분포 형태가 전기화학 반응 활성화 및 사이클 특성에 중요한 요인임을 밝힌바 있는 연구팀은 합성 조건을 조절하는 후속 연구를 실시했다. 이때 기존 발표가 되었던 고상법을 이용하여 최적화된 원자의 분포 형태를 가지는 양극 소재를 구현할 수 있는 간단하고 효율적인 새로운 공정법을 개발했다.

▲ 고용량 리튬 과량 물질  © POSTECH

그 결과, 합성된 리튬 과량 층상구조 물질은 전기화학적 활성도와 사이클 특성의 관점에서 최적화된 국부 구조를 가지게 되어 많은 양의 리튬을 가역적으로 사용할 수 있고, 수백 사이클 동안 산소 이온의 반응도 안정적이고 가역적으로 구동됨을 확인했다.

이러한 최적화 된 조건으로 비싼 가격의 코발트가 포함되지 않은 조성으로 합성된 리튬 과량 층상구조 물질은 기존 상용화된 고니켈 층상구조 물질(ex. LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2)의 에너지 밀도인 600Wh/kg보다 180% 이상 증가한 1,100Wh/kg 가역 에너지를 구현할 수 있다. 특히, 많은 양의 리튬이 빠지더라도 안정적인 구조를 유지할 수 있게 되어 100사이클 동안 95% 정도의 용량을 유지할 수 있다. 또한, 500사이클 동안 83%정도의 용량을 유지해 수백 사이클 동안 안정적인 고에너지를 유지할 수 있는 획기적인 성능을 기대할 수 있다.

POSTECH 강병우 교수는 “이번 연구 성과는 차세대 고용량 리튬 과량 층상구조 양극의 중요한 이슈 중 하나인 사이클 특성을 비교적 간단한 공정 변화를 통해서 획기적으로 개선했다는 점, 그리고 이를 통해 차세대 리튬 과량 층상구조 양극 소재가 실제 상용화에 적용하는데 한 걸음 더 다가섰다는 점에 의미가 있다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견 연구자 지원 사업 및 방사선 기술 개발 사업 지원을 받아 진행됐다.

<아래는 구글번역기로 번역한 기사 전문이다.>

 POSTECH Professor Byeong-Woo Kang develops high-density anode material with a new synthesis method

[Break News, Pohang, Gyeongsangbuk-do] Reporter Seong-Hyun Lee = POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Moo-Hwan Kim) Professor Byeong-Woo Kang and Dr. Jeong-Hwa Lee in the Department of Materials Science and Engineering have controlled the synthesis method of Li-rich layered material, which is attracting attention as a next-generation high-capacity cathode material. It announced on the 22nd that it has developed a high-energy-density anode material that stably maintains charging and discharging over 500 cycles.

As a result of this study, the day when we can meet electric vehicles that can drive long distances with lithium batteries is even closer.

The results of this research were published in the American Chemical Association's energy journal "ACS Energy Letters."

Electric vehicle mileage and charge/discharge cycles are determined by the characteristics of the cathode material of a lithium secondary battery. Lithium ions from the positive electrode flow back and forth between the positive electrode and the negative electrode to create electricity. In the case of a layered positive electrode material with an excess of lithium, the number of cycles rapidly decreases during the process of desorption and insertion of a large amount of lithium.

In particular, when a large amount of lithium is desorbed and an oxygen reaction occurs in a high state of charge, structural collapse occurs, and then charge/discharge characteristics and high energy density cannot be maintained. As a result, deterioration of the cycle characteristics was an obstacle to commercialization.

The research team, which had revealed that the irregular distribution of atoms between the transition metal and the lithium layer in the lithium-excessive layered material, is an important factor in the activation of the electrochemical reaction and the cycle characteristics, conducted a follow-up study to control the synthesis conditions. At this time, a simple and efficient new process method was developed that can implement a cathode material having an optimized atomic distribution shape using the previously announced solid phase method.

As a result, the synthesized lithium excess layered material has an optimized local structure in terms of electrochemical activity and cycle characteristics, so that a large amount of lithium can be used reversibly, and the reaction of oxygen ions for several hundred cycles is also stably and reversibly driven. Confirmed.

Under these optimized conditions, the lithium-excessive layered material synthesized in a composition that does not contain cobalt at an expensive price is less than 600Wh/kg, the energy density of the existing commercially available high nickel layered material (ex. LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2). It can realize the reversible energy of 1,100Wh/kg, which has increased by more than 180%. In particular, even if a large amount of lithium is removed, a stable structure can be maintained, and thus a capacity of about 95% can be maintained for 100 cycles. In addition, by maintaining a capacity of 83% for 500 cycles, a breakthrough performance that can maintain stable high energy for hundreds of cycles can be expected.

POSTECH Professor Byeong-Woo Kang said, “This research achievement is that the cycle characteristics, one of the important issues of the next-generation high-capacity lithium-excessive layered anode, have been dramatically improved through relatively simple process changes. It is meaningful that we have taken one step closer to applying it to the company.”

On the other hand, this research was conducted with the support of the Research Foundation of Korea's mid-sized researcher support project and the radiation technology development project.