차세대 배터리 수명 저하 부르는 양극재 속 ‘결정 결함’ …한양대 ERICA 방진호 교수팀, 세계 최초 규명
양극재 내부의 미세한 결함이 과도한 산소 산화와 전압 저하 유발
결함 밀도·분포 제어하는 새 설계 개념 제시…고에너지 양극재 설계 기준 마련
한양대학교 ERICA 에너지바이오학과 방진호 교수 연구팀이 차세대 고에너지 리튬이온 배터리의 핵심 소재인 ‘리튬·망간 과잉 양극재’에서 입자 내부의 결정학적 결함인 ‘적층 결함’이 배터리 수명을 좌우하는 근본 원인임을 세계 최초로 규명했다.
리튬 과잉 양극재(Lithium- and Manganese-Rich, LMR)는 기존 양극재보다 높은 용량을 구현할 수 있어 차세대 배터리 소재로 주목받고 있다. 전이금속뿐 아니라 산소의 산화·환원 반응인 ‘음이온 산화환원’을 활용해 추가 용량을 확보할 수 있기 때문이다.
그러나 충·방전을 반복하면 산소 반응이 비가역적으로 진행되면서 산소가 방출되고, 전압과 용량이 점차 감소하는 문제가 발생한다. 이러한 성능 저하는 리튬 과잉 양극재의 상용화를 가로막는 주요 난제로 꼽혀 왔지만, 이를 일으키는 근본적인 구조적 원인은 명확하게 밝혀지지 않았다.
방진호 교수팀은 이 문제의 원인이 양극재 입자 내부에 형성된 적층 결함에 있다는 점을 밝혀냈다. 적층 결함은 원자가 일정한 순서로 배열된 결정 구조의 일부가 어긋난 상태를 의미한다.
연구팀은 화학 조성은 같지만 입자 구조가 다른 두 종류의 양극재를 비교했다. 내부에 여러 개의 작은 결정과 결정립 경계면이 존재하는 다결정 양극재와 결정립 경계면이 없는 단결정 양극재를 활용해 입자 구조에 따른 결함의 밀도와 분포, 배터리 성능의 차이를 분석했다.
원자 수준의 전자현미경 관찰 결과, 다결정 양극재의 결정립 경계면에는 적층 결함이 높은 밀도로 집중돼 있었다. 이러한 결함 영역은 충전 과정에서 과도한 산소 산화를 촉진하는 ‘촉매 활성점’으로 작용하는 것으로 나타났다.
이 과정에서 양극재의 안정적인 층상 구조가 비가역적인 암염 구조로 변하고 전해질 분해가 가속되면서 전압과 용량이 감소했다. 반면 적층 결함이 적은 단결정 양극재에서는 산소와 격자 구조가 상대적으로 안정적으로 유지돼 반복적인 충·방전에도 우수한 성능을 보였다.
실제 배터리 성능 평가에서도 두 양극재의 차이가 뚜렷하게 나타났다. 100회 충·방전 후 다결정 양극재는 용량이 크게 감소한 반면, 단결정 양극재는 초기 용량을 안정적으로 유지했다. 연구팀은 실시간 X선 회절 분석과 고체 핵자기공명 분석을 통해 다결정 양극재에서 격자 구조의 비가역적인 변형이 더욱 심각하게 진행된다는 점도 정량적으로 확인했다.
이번 연구는 기존에 주로 기계적 내구성과 관련된 지표로 여겨졌던 ‘입자 결정성’을 배터리의 전기화학적 성능을 결정하는 핵심 구조 변수로 재정립했다는 데 의미가 있다.
연구팀은 결정 결함의 밀도와 공간적 분포를 설계·제어하는 ‘결함 토폴로지 공학(defect-topology engineering)’ 개념도 제시했다. 이는 고에너지 양극재의 수명과 안정성을 높이기 위한 새로운 소재 설계 기준으로 활용될 수 있다.
연구를 주도한 방진호 교수는 “이번 연구를 통해 양극재의 거시적인 입자 형태뿐 아니라 나노 수준의 결정 결함을 제어하는 것이 배터리 수명과 안정성 확보에 중요하다는 사실을 실험적으로 입증했다”며 “결함 토폴로지 관점은 향후 고에너지 배터리 소재 전반의 내구성을 높이는 설계 전략으로 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 교육부의 석사과정생 연구장려금 지원사업과 대학중점연구소 지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 『Advanced Functional Materials』에 7월 20일 온라인 게재됐다.
출처 : 뉴스H(https://www.newshyu.com/news/articleView.html?idxno=1025648)
결함 밀도·분포 제어하는 새 설계 개념 제시…고에너지 양극재 설계 기준 마련
한양대학교 ERICA 에너지바이오학과 방진호 교수 연구팀이 차세대 고에너지 리튬이온 배터리의 핵심 소재인 ‘리튬·망간 과잉 양극재’에서 입자 내부의 결정학적 결함인 ‘적층 결함’이 배터리 수명을 좌우하는 근본 원인임을 세계 최초로 규명했다.
리튬 과잉 양극재(Lithium- and Manganese-Rich, LMR)는 기존 양극재보다 높은 용량을 구현할 수 있어 차세대 배터리 소재로 주목받고 있다. 전이금속뿐 아니라 산소의 산화·환원 반응인 ‘음이온 산화환원’을 활용해 추가 용량을 확보할 수 있기 때문이다.
그러나 충·방전을 반복하면 산소 반응이 비가역적으로 진행되면서 산소가 방출되고, 전압과 용량이 점차 감소하는 문제가 발생한다. 이러한 성능 저하는 리튬 과잉 양극재의 상용화를 가로막는 주요 난제로 꼽혀 왔지만, 이를 일으키는 근본적인 구조적 원인은 명확하게 밝혀지지 않았다.
방진호 교수팀은 이 문제의 원인이 양극재 입자 내부에 형성된 적층 결함에 있다는 점을 밝혀냈다. 적층 결함은 원자가 일정한 순서로 배열된 결정 구조의 일부가 어긋난 상태를 의미한다.
연구팀은 화학 조성은 같지만 입자 구조가 다른 두 종류의 양극재를 비교했다. 내부에 여러 개의 작은 결정과 결정립 경계면이 존재하는 다결정 양극재와 결정립 경계면이 없는 단결정 양극재를 활용해 입자 구조에 따른 결함의 밀도와 분포, 배터리 성능의 차이를 분석했다.
원자 수준의 전자현미경 관찰 결과, 다결정 양극재의 결정립 경계면에는 적층 결함이 높은 밀도로 집중돼 있었다. 이러한 결함 영역은 충전 과정에서 과도한 산소 산화를 촉진하는 ‘촉매 활성점’으로 작용하는 것으로 나타났다.
이 과정에서 양극재의 안정적인 층상 구조가 비가역적인 암염 구조로 변하고 전해질 분해가 가속되면서 전압과 용량이 감소했다. 반면 적층 결함이 적은 단결정 양극재에서는 산소와 격자 구조가 상대적으로 안정적으로 유지돼 반복적인 충·방전에도 우수한 성능을 보였다.
실제 배터리 성능 평가에서도 두 양극재의 차이가 뚜렷하게 나타났다. 100회 충·방전 후 다결정 양극재는 용량이 크게 감소한 반면, 단결정 양극재는 초기 용량을 안정적으로 유지했다. 연구팀은 실시간 X선 회절 분석과 고체 핵자기공명 분석을 통해 다결정 양극재에서 격자 구조의 비가역적인 변형이 더욱 심각하게 진행된다는 점도 정량적으로 확인했다.
이번 연구는 기존에 주로 기계적 내구성과 관련된 지표로 여겨졌던 ‘입자 결정성’을 배터리의 전기화학적 성능을 결정하는 핵심 구조 변수로 재정립했다는 데 의미가 있다.
연구팀은 결정 결함의 밀도와 공간적 분포를 설계·제어하는 ‘결함 토폴로지 공학(defect-topology engineering)’ 개념도 제시했다. 이는 고에너지 양극재의 수명과 안정성을 높이기 위한 새로운 소재 설계 기준으로 활용될 수 있다.
연구를 주도한 방진호 교수는 “이번 연구를 통해 양극재의 거시적인 입자 형태뿐 아니라 나노 수준의 결정 결함을 제어하는 것이 배터리 수명과 안정성 확보에 중요하다는 사실을 실험적으로 입증했다”며 “결함 토폴로지 관점은 향후 고에너지 배터리 소재 전반의 내구성을 높이는 설계 전략으로 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 교육부의 석사과정생 연구장려금 지원사업과 대학중점연구소 지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 『Advanced Functional Materials』에 7월 20일 온라인 게재됐다.
출처 : 뉴스H(https://www.newshyu.com/news/articleView.html?idxno=1025648)