신소재공학부 강병우 교수, 이정화 박사 연구팀이 리튬이온배터리의 양극에 코발트를 빼고 리튬의 양을 늘려 합성한 신소재를 개발했다고 22일 밝혔다.

연구진이 개발한 양극소재를 사용한 리튬이온배터리는 3.6V의 안정적 방전 전압으로 1g 당 300㎃h의 용량과 1㎏당 1100Wh의 높은 에너지 밀도를 가졌다. 이는 기존 소재를 사용한 배터리보다 180% 이상 증가한 에너지 밀도를 보인 것이다. 특히, 많은 양의 리튬 이온이 빠지더라도 안정적 구조를 유지할 수 있게 돼 100번의 충방전에도 95% 정도의 용량을 유지할 수 있다. 또, 500번 이상의 충방전에도 83%정도의 용량을 유지해 수백 사이클 동안 안정적 고에너지를 유지할 수 있다고 연구진은 설명했다.

연구진은 지난 연구에서 리튬 과량 층상구조 물질에서 전이 금속과 리튬 층 사이 원자의 불규칙한 분포 형태가 전기화학 반응 활성화 및 사이클 특성에 중요한 요인임을 밝혔었다. 리튬 과량 층상구조 물질은 기존 물질보다 리튬의 양이 니켈, 망간 등의 전이금속보다 많이 포함된 층상구조를 가지는 양극재를 말한다.

연구진은 그 후속 연구로 합성 조건을 조절했다. 이번에 개발한 새로운 공정은 기존에 발표된 고상법을 이용해 양극 소재를 만들어낼 수 있는 간단하고 효율적인 방법이다.

그 결과, 합성된 리튬 과량 층상구조 물질은 전기화학적 활성도와 사이클 특성 관점에서 최적화된 구조를 가지게 돼 많은 양의 리튬을 사용할 수 있다. 연구진은 이를 통해 수백 사이클 동안 산소 이온의 반응도 안정적이고 가역적으로 작동되는 것을 확인했다.

이 연구 성과는 미국화학협회 에너지 분야 학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 지난 1일 게재됐다.