차세대 양극재 과리튬계 층상형 산화물 양극재 상용화 위한 합성 메커니즘 제시

RIST(포항산업과학연구원)의 재료공정연구소 정기영 박사, 한국표준과학연구원(KRISS) 박혁준 박사, 포스코홀딩스 미래기술연구원 최근호 박사 공동 연구팀이 기존 하이니켈 NCM 양극재 대비, 고용량화와 저가격화의 동시 달성이 가능한 차세대 양극재인 과리튬계 층상형 산화물 양극재(LLO, Li-rich Layered Oxide)의 상용화를 앞당기기 위한 핵심적인 합성 메커니즘을 제시하였다고 발표했다.

최근 전기자동차(EV)와 대용량 에너지스토리지(ESS) 시장은 더 높은 에너지밀도와 낮은 원자재 가격의 동시 달성이 가능한 새로운 리튬이온전지용 양극 소재 개발을 지속적으로 요구하고 있다. 

최근 주목받고 있는 LLO 양극재는 기존 하이니켈 NCM계 양극재 대비 코발트 함량을 크게 낮추거나(low-Co), 혹은 사용하지 않고(Co-free), 니켈 함량도 약 1/3 수준(low-Ni)으로 낮출 수 있으므로 양극재의 저가격화가 가능하다. 

또한, 기존 양극재와 달리 충·방전 중 전이금속 뿐만 아니라, 산소의 추가적인 산화환원 반응을 활용함으로써 초고용량 구현이 가능하기 때문에 차세대 양극재로서 주목받고 있다. 그러나, 이 신규 양극재는 초고용량 구현을 위한 산소의 산화환원 반응이 양극재 격자 구조의 불안정성을 야기하기 때문에 안정된 성능 발현을 필수적으로 요구하는 상용화에는 큰 걸림돌로 여겨져 왔다.

본 연구팀은 LLO 양극재 내 산소의 산화환원 반응이 양극재의 국부 결정구조와 직접 관련되어 있으며, 이 양극재의 합성 반응 경로가 국부 결정구조의 형성 및 최종 생성물의 산소 반응 안정성에도 깊은 영향을 미친다는 것을 밝혀냈다. 

이 연구에서는 코발트를 포함하지 않은 Co-free계 LLO 양극재를 대상으로, 합성 공정 전 과정에 대해 국부 결정구조의 변화를 실시간으로 분석한 결과, 서로 다른 융점을 갖는 리튬 소스의 종류에 따라 달라지는 LLO 양극재의 합성 경로가 양극재의 최종 격자 국부구조 형성에 지배적인 역할을 한다는 것을 규명하였다. 
 

특히, 리튬소스로서 수산화 리튬을 적용하였을 경우, 원하지 않는 전구체의 분해 반응을 억제하면서 나노 영역에서의 국부 구조가 고르게 분산된 형태의 양극재를 형성함으로써 보다 우수한 전기화학 특성을 나타내는 것을 확인하였다.

연구를 주도한 정기영 박사는 “이 연구를 통해 과리튬계 양극재의 복잡한 합성-구조-물성 관계에 대한 심도있는 분석을 바탕으로, 합성 경로가 과리튬계 양극재의 구조적 특성과 성능에 미치는 영향에 대한 학계의 오랜 논쟁을 해결하기 위한 통찰력을 제공함으로써 이 새로운 양극재의 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다. 함께 연구를 이끌었던 박혁준 박사는 “다양한 실시간 분석 기법을 이용해 차세대 양극재 합성의 비밀을 풀어냈다는 점에서 매우 의미 깊은 연구 결과로 생각된다.”라고 전했다. 

한편 포스코홀딩스의 지원으로 진행된 이 연구 결과는 에너지 분야의 권위지인 에너지 및 환경과학 (Energy & Environmental Science, IF 32.5, https://doi.org/10.1039/D4EE00487F) 최신호 온라인판 표지에 공개됐다.