UNIST, 기존 연구 뒤집는 차세대 배터리 전극 설계 원리 제시
연구팀은 고성능 무질서 암염 전극 설계 원칙으로 여겨지던 '리튬 과잉 조성' 원리가 특정 무질서 암염 소재엔 적용되지 않는다는 사실을 최초로 밝혀냈다.
코발트, 니켈 등 고가 희귀 금속이 다량 포함된 양극재는 전기차 배터리(리튬이온 배터리) 셀 가격의 20% 이상을 차지한다.
이 때문에 값싸고 매장량이 풍부한 망간, 철 등이 많이 포함된 무질서 암염 소재가 새로운 양극재로 주목받고 있다.
상용 소재 대비 용량도 30∼50% 이상 커 전기차뿐만 아니라 신재생에너지 발전 전력을 저장할 대용량 배터리 소재로도 적합하다.
다만 기존 연구 결과 무질서 암염 양극재의 고용량 성능을 끌어내기 위해서는 일반 양극재보다 리튬 함량을 높게 설계해야 했는데, 소재 내 리튬 함량이 높으면 불안정한 산소가 전극 밖으로 잘 새어 나가 전지 수명이 줄어드는 문제가 있었다.
그러나 연구팀은 이 같은 기존 이론에 배치되는 사실을 밝혀냈다.
연구팀에 따르면 망간, 바나듐 등 특정 금속 기반 무질서 암염 소재는 리튬 함량을 줄여도 고용량 전극 성능을 그대로 유지하고, 수명은 기존보다 2배 이상 좋아졌다.
연구팀은 리튬 함유량이 다른 두 종류의 망간 기반 무질서 암염 소재를 이용한 실험과 밀도범함수이론 기반의 양자역학 모델링 기법을 통해 이 같은 사실을 확인했다.
니켈, 코발트 금속 기반 무질서 암염 소재는 기존 이론대로 리튬 함량이 높을수록 전극 성능이 좋다.
서 교수는 "전기차뿐만 아니라 신재생에너지 발전량 증가로 값싸고 용량이 큰 배터리 소재에 대한 관심이 높다"며 "무질서 암염 소재가 상용화된다면 이러한 수요를 충족시킬 수 있을 것"이라고 말했다.
캐나다 맥길대 이진혁 교수, 미국 매사추세츠공과대(MIT) 쥐 리 교수도 함께 참여한 이번 연구 결과는 에너지 재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스'(Advanced Energy Materials)에 6일 자로 공개됐다.
연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업, 해외우수연구기관유치사업의 지원을 받았고, 한국과학기술정보원의 슈퍼컴퓨터를 지원받아 수행했다.
/연합뉴스
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