이번 연구로 고에너지 밀도의 리튬/망간 과잉 양극 소재를 설계하고 디자인하는데 새로운 기준을 제시할 것으로 기대된다.

니켈, 코발트, 망간은 리튬 이차전지 양극 소재를 구성하는 필수적인 전이 금속 원료이지만, 개중 니켈과 코발트의 가격이 폭등하고 원자재 수급이 불안정해지며 장기적인 양극 개발에 제동을 걸고 있다. 이에 가격 경쟁력 확보와 기존 전이 금속의 산화-환원과 더불어 산소의 산화-환원을 사용해 더 높은 이론 용량을 구현할 수 있는 리튬/망간 과잉 양극 소재가 높은 관심을 받고 있다.

그러나 산소 산화-환원 반응은 일반적으로 산소 가스 발생, 전이 금속의 이동, 전압 및 용량 강하와 같은 비가역적인 현상을 수반하며 전기화학적인 안정성이 크게 떨어지기에 상용화되기엔 많은 장벽이 남아있는 상태다.

연구팀은 이러한 기존 리튬/망간 과잉 양극재의 문제점을 해결하기 위해 2020년 O2 적층형 리튬/망간 과잉 양극재를 새롭게 제시했고, 전이 금속의 비가역적인 이동을 효과적으로 제한하며 사이클에 따른 전압 강하 현상을 획기적으로 감소시켰다. 이번 연구에선 이러한 단결정 O2 적층형 리튬/망간 과잉 양극 소재를 모델 삼아, 기존 층상형 양극 소재의 열화 현상 중 하나인 입자 내 균열(intragranular crack)의 형성 메커니즘이 회전 적층 결함(rotational stacking fault)에서 비롯됐다는 것을 밝혔다.

기존의 이해에 더해 층상형 양극 소재의 적층 결함이 회전적인 특징을 가지며, 회전 적층 결함을 기준으로 충/방전 과정에서 산소 가스가 발생하고 면간 응력이 집중되며 종국엔 입자 내에 균열을 초래한다는 점을 시뮬레이션과 실험을 통해 명확히 밝혔다. 또한 합성 온도의 개질이 회전 적층 결함의 정도를 조절할 수 있고, 전기화학 성능의 향상을 야기할 수 있음을 밝혀 물질의 기계적, 전기화학적 거동 간의 긴밀한 관계를 규명했다. 이러한 이해를 바탕으로 연구팀은 층상형 양극 소재의 설계 방향성에 새로운 화두를 제시했다.

서울대학교 공과대학 재료공학부 강기석 교수는 “층상형 양극 소재의 열화 메커니즘을 재해석했다는 점에서 의미가 크며, 새로운 양극 소재를 설계할 때 필수적인 디자인 룰을 제시하는데 기여할 우수한 연구결과”라며 “산소의 전기화학적 산화-환원 반응과 물질의 미시기계적 거동 간의 관계를 명확히 규명했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 강조했다.

이번 연구결과는 세계적으로도 주목받아 자연 과학 분야에서 가장 권위 있는 학술지인 Nature Publishing Group의 ‘Nature Materials’에 5월 3일자로 온라인 게재됐다.

이 연구는 강기석 교수의 지도하에 음동건 연구원, 박성오 연구원, 장호영 연구원이 주도적으로 진행했으며, 한국연구재단의 이공분야 학문후속세대 지원사업/기초 신진연구자 지원사업/선도연구센터 지원사업, 기초과학연구원, LG 에너지솔루션의 지원으로 수행됐다.

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