KIST-성균관대 연구진, 전고체리튬전지의 양극 표면 물질 설계

배터리. 게티이미지 제공

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>

[파이낸셜뉴스] 리튬전지의 양극과 음극 사이 이온이 이동하는 전해질을 고체로 만든 전고체 전지의 성능을 끌어올릴 수 있는 기술이 개발됐다. 이 기술은 양(+)극과 고체질 사이 경계면에서 이온이 잘 이동할 수 있게 해준다. 연구진은 이를 이용해 리튬전지를 만들고 실험한 결과 100번이상 충방전을 계속해도 성능이 99.6% 이상 유지됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지소재연구단 박상백 박사팀이 전고체 전지의 양(+)극 표면 입자를 조절해 성능을 향상시키는 소재 설계전략을 개발했다고 29일 밝혔다.

연구진은 전지의 양극 표면을 크리스탈 모양의 리튬니켈망간산화물 입자만 사용했다. 이 양극 물질로 전고체 리튬전지를 만들고 충방전 실험을 한 결과 100번 이상을 계속해도 전지 성능이 99.6% 이상을 유지했다.

박상백 박사는 "결정 표면의 밀집도를 높이고, 결정들의 경계면의 방향을 조절하면 양극 소재 자체가 개선돼 높은 성능과 안정성을 얻었다"고 말했다.

보통 전해질과 양극이 만나는 경계면에서 저항이 커지고 온도가 올라 전지의 성능이 떨어진다. 이를 해결하기 위해 현재 주로 연구되고 있는 방법은 양극과 전해질 표면에 다른 소재를 코팅하거나 중간층을 삽입한다. 하지만 이는 추가적 비용 상승과 함께 전지 전체의 활성과 에너지밀도가 떨어진다.

연구진이 전지의 양극 물질에 들어가는 리튬니켈망간산화물 파우더를 큐브(100), 크리스탈(111), 길죽한(110) 모양의 입자만 골라 따로 만들어 실험했다. 그 결과 다이아몬드 모양의 입자만을 골라 양극을 만든 전지는 100회 이상의 충반전을 계속해도 99.6% 이상의 성능을 유지했다. KIST 제공

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>

연구진은 성균관대학교 신현정 교수팀과 공동연구를 통해 물질간 경계면에 직접적으로 영향을 미치는 소재의 결정구조부터 확인했다.

양극에 해당하는 산화물질을 파우더 형태로 만들면 다양한 모양의 입자가 만들어진다.

연구진은 큐브, 크리스탈, 길죽한 모양의 파우더를 따로 구분해 양극 겉표면을 만들었다. 이렇게 만든 전지를 실험한 결과 크리스탈 모양을 제외한 다른 모양의 파우더로 만든 전지는 충방전이 거듭될수록 저항이 높아지고 열이 발생하면서 성능이 떨어졌다.

박상백 박사는 "양극 산화물 파우더를 어떻게 하면 크리스탈 모양만으로 만들 수 있을지 추가 연구를 진행할 계획"이라고 말했다.

이번 연구결과는 에너지 나노 분야 국제학술지인 '나노 에너지' 최신호에 게재됐다.

#코팅 #한국과학기술연구원 #KIST #성능 #리튬전지 #전해질 #양극 #에너지밀도 #안정성 #팔면체 #전고체리튬전지 #경계면 #충방전 #리튬니켈망간산화물 #결정 #표면 #중간층
monarch@fnnews.com 김만기 기자

※ 저작권자 ⓒ 파이낸셜뉴스. 무단 전재-재배포 금지