[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = KAIST는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량의 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

연구팀은 비가역적 산소 반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 선택적으로 바나듐(V) 이온을 도핑하는 기술을 개발해 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높이는 데 성공했다.

리튬 과잉 양극 소재가 첫 충·방전에서 69%의 낮은 가역성을 보이지만 바나듐을 도핑한 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충·방전 시 81%에 달하는 높은 가역성을 나타냈으며 100 사이클의 충·방전 이후에도 92%에 달하는 안정성을 확인했다.

바나듐 이온 도핑 전후 양극소재의 모식도(위)와 도핑된 양극소재의 실제 투과 현미경(TEM) 이미지 및 조성 분포도(아래)[사진=카이스트] 2021.03.02 memory4444444@newspim.com

현재 전기자동차 배터리에는 니켈 함량이 높은 '하이니켈(Ni)' 양극 소재가 사용되고 있다. 배터리 양극 소재는 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 산화물인데 니켈의 함량이 높을수록 용량이 높다.

그러나 하이니켈 양극 소재로는 주행거리 향상에 한계를 드러내고 있다.

이에 연구팀은 하이니켈 양극 소재의 대안으로 리튬 과잉 양극 소재를 제안해 이 같은 성과를 달성했다.

조은애 교수는 "도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전 시 가역적인 산화·환원 반응이 가능하게 했다ˮ며 "전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다ˮ고 말했다.

KAIST 신소재공학과 조은애 교수[사진=카이스트] 2021.03.02 memory4444444@newspim.com

이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업과 KAIST 글로벌 특이점 연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 온라인 판에 지난 1월 29일 게재됐다.

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