유기재료공학과

이차전지 성능 결함 분석과 제어 방법 첫 제시

재료 분야 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 논문 게재

공과대학 유기재료공학과 진형민 교수 연구팀과 한국원자력연구원 김형섭 박사, 한국표준과학연구원 박혁준 박사 공동연구팀이 중성자/X선 빔을 이용해 리튬이차전지용 하이 니켈(high-Ni) 양극재 내부에 존재하는 미세결함(미세기공)을 정량분석 하는 데 성공했다.

이번 연구성과는 재료 분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 19.0)’에 10월호 온라인으로 게재됐다.

※논문 제목: Toward a Nanoscale-Defect-Free Ni-Rich Layered Oxide Cathode Through Regulated Pore Evolution for Long-Lifespan Li Rechargeable Batteries

이차전지로 널리 사용되는 리튬이온전지의 성능 향상을 위해 하이 니켈 양극재가 최근 큰 관심을 받고 있는 가운데 하이 니켈 양극재는 니켈-코발트-망간을 함유한 양극재 중 고가의 코발트 일부를 니켈로 대체해 니켈 비중을 90%까지 높인 소재다. 저렴하지만 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 저장 용량을 크게 늘릴 수 있다. 

하지만 합성 과정이 복잡하고 이 과정에서 입자 내부에 0.1∼300nm(10억분의 1ｍ) 크기의 아주 미세한 기공이 발생해 전지의 수명이 줄어드는 문제가 있다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 중성자와 X선 소각산란기술을 활용했다. 중성자/X선 빔을 이용해 하이 니켈 양극재 합성과정에서 나노크기 미세결함이 얼마나 발생하는지 정량 분석을 진행했다. 

소각산란을 활용해 이차전지 소재의 결함의 크기와 양을 정량적으로 알아낸 연구는 이번이 처음이며, 이를 통해 연구팀은 결함이 가장 적게 발생하는 최적의 합성 조건을 찾아내 기존 대비 배터리 수명을 약 10%나 개선할 수 있는 방법도 제시했다.

해당연구에서 미세결함(기공)의 정량분석을 주도적으로 수행한 진형민 교수는 “소각산란을 활용한 정량기공 분석은 0.1∼300nm 범위의 기공을 갖는 모든소재의 분석이 가능하다”며, “닫힌기공을 포함한 모든 기공의 정량분석이 가능한 강력한 분석법으로 이차전지 소재 외에 반도체 패키징소재, 엔지니어링 세라믹 등 기공이 주요한 역할을 하는 여러 산업군에서 난제해결을 위해 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 진형민 교수는 본 연구에 앞서 중성자 및 X선 소각산란을 활용한 소재의 기공 정량분석법을 개발한 바 있으며, 차세대 소듐전지용 음극재인 하드카본 등의 정량 미세기공 분석 등 다양한 연구를 수행하고 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 방사선기술개발사업, 기초연구 사업(기본연구)과 산업통상자원부의 저탄소 고부가 전극재제조 혁신기술개발사업의 지원을 받아 진행됐다.

□ 논문 링크:  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202306654