차세대 배터리 소재로 주목받아 온 리튬 과잉 층상 산화물의 고질적 문제인 구조 붕괴를 해결할 실마리가 나왔다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이현욱 교수와 포항가속기연구소 정영화 박사, 한국과학기술원(KAIST) 서동화 교수팀은 원자 배열을 의도적으로 불규칙하게 설계해 구조 붕괴와 전압 감소를 동시에 억제한 리튬 과잉 층상 산화물 양극 소재를 개발했다고 12일 밝혔다.

리튬 과잉 층상 산화물은 금속뿐 아니라 산소까지 반응에 참여해 일반 배터리보다 용량을 대폭 높일 수 있는 소재다. 그러나 충·방전 과정에서 구조가 연쇄적으로 무너지면서 에너지 손실이 커지고 배터리 수명이 단축되는 문제가 상용화의 걸림돌이었다.

연구팀은 이 문제를 역발상으로 풀었다. 통상 결함으로 여겨지던 원자 배열의 불규칙성을 활용, 첫 충전 시 층 전체가 한꺼번에 미끄러지는 현상을 막고 물리적 스트레스를 분산시킨 것이다.

이를 통해 구조의 뼈대 역할을 하는 전이 금속과 산소 간 결합을 안정적으로 유지했다. 해당 원리는 밀도범함수(DFT) 이론계산과 포항가속기연구소의 방사광 가속기 분석을 통해 교차 검증됐다.

성능 평가에서 새 소재는 첫 충전과 방전 전압 간 차이가 0.31V로, 기존 소재의 절반 수준에 그쳤다. 초기 에너지 손실도 0.6%로 기존 소재(25.8%)와 비교해 현격히 낮았다. 충·방전 반복 시 나타나는 전압 감소 속도는 사이클당 기존의 10분의 1 수준으로 줄었으며 160회 충·방전 후에도 초기 에너지의 98%를 유지했다.

제1저자인 최명준 연구원은 "특정 조성에 국한되지 않고 다양한 리튬 과잉 층상 산화물 양극 소재에 적용할 보편적 접근법"이고 설명했다. 이현욱 교수는 "이번 기술은 더 작고 가벼우며 더 많은 전기 에너지를 저장할 차세대 고에너지 밀도 배터리 상용화에 도움이 될 것"이고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 나노·미래소재원천기술개발사업과 원천기술 국제협력개발사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ACS Energy Letters에 2월 3일 온라인 게재됐다.