성균관대, 고(高)에너지 소재 주요 인자 발견

[베리타스알파=나동욱 기자] 성균관대는 에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀이 전기차 배터리의 핵심 요소 중 하나인 니켈(Ni) 양극소재에서 니켈(Ni)의 함량에 따라 변화하는 결정구조 특성 및 소재의 성능, 그리고 전기화학 반응 중 나타나는 소재의 구조 거동을 관찰했으며, 이를 통해 고(高)에너지 소재를 개발하는 데에 기존의 고정 관념을 깨는 주요한 인자들을 발견했다고 14일 밝혔다. 연구는 1회 충전으로 서울에서 부산까지(약 400km) 주행 가능한 고밀도 전지 개발의 길을 열 것으로 기대됐다.

4차 산업혁명의 개념과 함께 전기차의 시대가 도래하면서 자동차의 내연기관을 배터리가 대체함에 따라 전기차 상용화 사업에서 고함량 니켈(Ni)계 양극소재는 장거리 주행 전기차의 핵심 소재로 각광받고 있다. 이번 연구 이전까지는 니켈(Ni) 원소의 양을 증가시킴과 동시에 다른 원소들의 양은 일정하지 않은 비율로 변화시키는 연구들이 진행됐고, 니켈 원소를 활용해 고에너지 소재 개발에 박차를 가하는 데 어려움이 있었다.

성균관대 연구팀은 다른 원소들이 소재의 구조 특성에 미치는 영향을 최대한 배제할 수 있도록 구성 원소들의 함량을 체계적으로 제어해 니켈(Ni) 원소의 함량에 따른 결정구조 특성 변화를 관찰했다. 이를 통해 실제 니켈(Ni) 원소의 함량이 증가할수록 리튬 이온이 이동하는 통로의 크기 증가와 리튬의 이동을 방해하는 양이온 무질서도의 감소현상을 파악해 그간 어려움이 있던 고(高)에너지 소재 개발에 탄력을 줄 수 있게 됐다. 층상구조 양극소재에서 특정 원소의 함량만으로도 리튬 이온 통로의 크기를 조절할 수 있다는 사실을 보여줌으로써 원자 수준에서의 고속 충-방전 소재를 디자인할 수 있는 새로운 가능성을 제공했다. 층상구조에서 c축이 붕괴되더라도 실제 리튬 이온이 결정 구조 내에서 이동할 수 있는 환경을 유지한다는 사실도 발견함으로써, 전극 구조 내에 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 것으로 기대됐다.

에너지과학과 윤원섭 교수와 이원태 연구원이 수행한 연구는 소재과학분야 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스에 표지로 선정됐다.