서울대는 임종우 교수 연구팀이 RIST 정기영 박사와 나노 화학 이미징으로 리튬 이온 배터리 양극재 합성의 주요 반응 경로를 제시했다고 19일 밝혔다.
현재 전기차에 사용되고 있는 리튬이온 배터리의 성능과 가격은 가장 비싼 소재인 양극재의 품질에 따라 크게 좌우된다. 특히, 하이니켈 양극재는 용량이 크기 때문에 국내 이차전지 업체들이 가장 핵심적으로 추진하는 프리미엄 제품이다. 하이니켈 양극재의 합성 공정 조건이 매우 까다롭고, 품질을 더욱 향상시킬 필요가 있기 때문에, 많은 연구진이 합성 메커니즘 비법을 밝혀내고자 해왔다.
특히, 하이니켈 양극재는 고온에서 니켈/코발트/망간 원소가 섞여 있는 전구체내부에 리튬과 산소를 넣는 합성 공정 (소성과정, calcination)의 난이도가 매우 높다. 니켈/코발트/망간은 리튬과 산소와 반응성이 각기 다르기 때문에, 이를 이해하고 제어하는 것은 근원적으로 어렵다. 이를 제대로 제어하지 못할 경우, 하이니켈 양극재의 품질이 떨어지게 된다.
따라서 니켈/코발트/망간 전구체가 리튬 및 산소와 어떻게 반응하는 지를 이해하는 연구와 이를 효율적으로 넣을 수 있는 메커니즘 이해가 필요하다. 하지만 아직까지 이에 대한 연구는 진행된 적이 없다.
연구진은 하이니켈 양극재 합성 과정에서 리튬과 산소가 들어가는 과정을 화학나노 이미징 기법을 통하여 최초로 관측하는데 성공했다.
방사광 가속기 기반 X선 현미경을 활용하여 합성중에 니켈/코발트/망간이 어떻게 리튬과 산소와 반응하는지 이미징에 성공했다. 이를 바탕으로 고품질 양극재로 합성될 수 있는 메커니즘을 규명했다.
리튬과 산소가 침투되는 도중, 반응 중간체 표면과 내부가 매우 많은 종류의 국소 구조를 가지게 되는 것을 규명했고, 리튬과 산소의 투과를 니켈/코발트/망간 각각 어떻게 막게 되는지를 밝힘으로써 양극재 소성과정 전체 메커니즘을 완성했다.
리튬과 산소가 침투하는 온도보다 더 낮은 온도에서 니켈/코발트/망간 전구체의 분해가 일어나는데, 전구체 내부 깊숙이 산소가 투과되지 못한 곳에선 니켈이 락솔트 (rock-salt) 니켈-산화물로 변하는 것을 발견했다. 온도를 더 올리더라도 락솔트 니켈-산화물이 리튬의 침투를 막아 양극재내 리튬 균일성을 저해하는 원인을 찾아냈다.
이를 제어하면 고성능 리튬이온 배터리 양극재 생산 및 공급 경쟁력을 대폭 높일 것으로 기대된다. 이번 연구는 국제학술지 Advanced Materials에 1월 18일 논문으로 게재되었다.
이번 연구는 한국연구재단, 한국에너지기술평가원, 그리고 삼성미래기술육성사업 지원으로 수행되었다.
