100회 충·방전 뒤 단결정 양극재 성능 안정
적층 결함 밀도·분포 제어 설계 기준 제시
한양대학교 ERICA가 차세대 고에너지 리튬이온 배터리 소재인 리튬·망간 과잉 양극재의 수명 저하 원인을 규명했다.
한양대 ERICA는 방진호 에너지바이오학과 교수 연구팀이 화학 조성은 같지만 입자 구조가 다른 다결정·단결정 양극재를 비교해 다결정 양극재 내부의 '적층 결함'이 충·방전 과정에서 전압과 용량을 떨어뜨리는 핵심 요인이라는 점을 확인했다고 3일 밝혔다. 적층 결함은 원자 배열이 층을 이루는 과정에서 일부 어긋난 결정 결함을 뜻한다.
리튬·망간 과잉 양극재(LMR)는 산소의 산화·환원 반응인 '음이온 산화환원'을 활용해 기존 양극재보다 높은 용량을 구현할 수 있는 소재다. 다만 충·방전이 반복되면 산소 반응이 비가역적으로 진행돼 산소 방출, 구조 변형, 전해질 분해가 이어지고 전압·용량 저하가 발생한다.
방 교수팀은 결정립 경계면을 가진 다결정 양극재와 경계면이 없는 단결정 양극재를 대상으로 결함 밀도와 성능 차이를 분석했다. 원자 수준 전자현미경 관찰 결과, 다결정 양극재의 결정립 경계면에는 적층 결함이 높은 밀도로 모여 있었다.
연구팀은 이 결함 영역이 충전 과정에서 과도한 산소 산화를 촉진하는 '촉매 활성점'으로 작용한다고 봤다. 이 영향으로 안정적인 층상 구조는 비가역적인 암염 구조로 바뀌고 전해질 분해도 빨라졌다. 반면 적층 결함이 적은 단결정 양극재는 산소와 격자 구조를 비교적 안정적으로 유지했다.
100회 충·방전 평가에서도 차이가 확인됐다. 다결정 양극재는 용량 감소가 컸지만, 단결정 양극재는 초기 용량을 비교적 안정적으로 유지했다. 연구팀은 실시간 X선 회절 분석과 고체 핵자기공명 분석으로 다결정 양극재의 비가역적 격자 변형이 더 심하다는 점도 확인했다.
방진호 교수는 “나노 수준의 결정 결함 제어가 배터리 수명과 안정성 확보에 중요하다는 사실을 입증했다”며 “고에너지 배터리 소재의 내구성을 높이는 설계 전략으로 활용될 수 있다”고 말했다.
연구 결과는 재료 분야 국제학술지 '어드밴스트 펑셔널 머티리얼스'에 지난 7월20일 온라인 게재됐다.
안산=김동성 기자 estar@etnews.com
