바나듐 도핑 전후 양극 소재 모식도(위쪽)와 소재의 투과전자현미경(TEM) 이미지/KAIST 제공
한국과학기술원(KAIST) 조은애 교수 연구팀이 기존 배터리 양극재보다 용량을 25% 이상 늘리고도 안정적인 차세대 리튬 배터리 소재를 개발했다.
기존 전기차 배터리에는 니켈 함량이 높은 '하이니켈' 양극 소재가 많이 사용되며 1g당 용량은 200mAh이다.
연구팀은 용량을 늘리기 위해 가용 용량이 250mAh인 리튬 과잉 양극 소재를 주목했다.
하이니켈 소재보다 25% 많은 에너지를 저장할 수 있기 때문이다.
문제는 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성한 산소가 돌이킬 수 없는 환원 반응을 일으키면서 빠져나간다는 점이다.
산소 이온의 산화·환원 반응을 이용해 용량을 높여야 하는 리튬 과잉 양극 소재는 이 문제 때문에 산화물 양극재의 구조가 흩트리며 배터리 성능이 떨어진다.
연구팀은 양극 소재 표면에 바나듐 이온을 첨가해 해결했다.
바나듐을 첨가한 리튬 과잉 양극 소재의 첫 충·방전 시 회수율(가역성)이 81%로, 69%인 순수 리튬 과잉 양극 소재 보다 높게 나타났다.
조은애 교수는 "첨가된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전 시 가역적인 산화·환원 반응이 가능하도록 돕는 원리"라며 "공정이 비교적 간단해 대량생산도 가능하다"고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 지난 1월 29일 자 온라인판에 실렸다.
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