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| 망간 기반 DRX 양극재 내 망간 함량과 전자전도도, 부피 변화량 관계 이미지. (자료제공=한국과학기술원) |
한국과학기술원(카이스트·KAIST)은 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 울산과학기술원(유니스트·UNIST), 캐나다 맥길대(McGill University)와 공동연구를 통해 니켈, 코발트 없이 에너지밀도가 40% 향상된 고성능 차세대 리튬이온전지 양극을 개발했다고 1일 밝혔다.
망간 기반의 양이온-무질서 암염(DRX) 양극재는 값싸고 매장량이 풍부한 망간, 철 등을 사용할 수 있다는 점에서 차세대 리튬이온전지 양극재로 관심을 모이고 있다. 다만 양극재 비율이 90% 이상인 전극으로 전지를 만들면, 전지 성능이 매우 낮고 급격하게 열화되는 문제점이 있었다.
국제공동연구팀은 전극 내 망간 기반 DRX 양극재 비율이 높을수록 전자 전달 네트워크가 잘 형성되지 않고, 충·방전 간 부피 변화율이 높을수록 충·방전 동안 네트워크 붕괴가 잘 일어나 전지의 저항이 크게 증가한다는 것을 밝혀냈다.
공동연구팀의 연구에 따르면 망간 기반 DRX 전극 제조 시 다중벽 탄소나노튜브를 사용해 DRX 양극재의 낮은 전자전도도를 보완하고 충·방전 간 부피 변화를 견딜 수 있게 되어 전극 내 양극재의 비율을 96%까지 끌어올리더라도 전자 전달 네트워크와 전지 성능이 열화되지 않았다.
이를 통해 니켈, 코발트 없이 전극 무게 기준 약 1050Wh/kg(킬로그람당와트시)의 에너지밀도를 보이는 차세대 리튬이온전지 양극을 개발했다. 이는 리튬이온전지 양극 중 세계 최고 수준이며, 상용 삼원계 양극 대비 에너지밀도가 40% 향상된 수준이라고 연구팀은 전했다.
서동화 KAIST교수는 “상용화를 위해 풀어야 할 문제들이 아직 남아있지만 대 중국 의존도가 높은 니켈, 코발트 광물이 필요 없는 차세대 양극 개발 시 자원 무기화에 대비할 수 있고 리튬 인산철 양극 주도의 저가 이차전지 시장에서 우리 기업의 글로벌 경쟁력이 강화될 것으로 기대된다”고 말했다.
한국연구재단 과학기술분야 기초연구사업, 나노 및 소재 기술개발사업, 원천기술 개발사업 및 산업통상자원부 에너지인력 양성사업, 한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨터 등을 지원받아 수행된 이번 연구의 결과는 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’ 3월27일자 온라인판에 공개됐으며 6월호 표지 논문으로 출판될 예정이다.
류용환 기자 fkxpfm@viva100.com
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