^*무질서 암염 물질: 소금결정(암염, NaCl)과 유사한 원자 배열을 구조 갖는데, 양이온인 전이금속과 리튬이 랜덤(무질서)하게 배열돼 무질서 암염 물질이라 불린다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

무질서-암염 양극재(disordered rock-salt cathode)1)는 기존 리튬이온전지2) 양극재3)와 달리, 값싸고 풍부한 전이금속으로 만들 수 있다. 또 충·방전 용량 또한 30–50% 가량 높기에 차세대 양극재로 각광을 받고 있다.

그러나 무질서-암염 양극재의 수명이 기존 양극재보다 짧다는 점은 이 물질들의 상용화에 큰 문제로 제기되었다. 기존의 이해에 따르면, 이 물질들은 높은 충·방전 용량과 속도를 보여주기 위해서 구조 내 리튬의 비율이 전이금속보다 높은 ‘리튬-과잉-조성’4)으로 만들어져야 하는데, 이 조합(조성)을 갖게 되면 불안정한 산소가 충·방전 중 양극재 구조 내에 생성이 되고, 이들이 다양한 문제를 일으켜 수명이 떨어진다는 점이다. 기존의 ‘리튬-과잉-조성’의 원칙을 바탕으로 이 조성을 갖게 물질을 만들되, 최대한 불안정한 산소를 줄이는 방향으로 최근의 연구가 진행되어왔지만, 이러한 연구에는 한계가 있었다.

2. 연구내용  

이번 연구결과는 망간 (Mn) 기반 무질서-암염 양극재의 연구를 통하여, 특정-무질서 암염 양극재의 경우, 리튬-과잉-조성의 유무와 상관없이 높은 충방전 용량 (>250 mAh/g) 을 보일 수 있음을 실험을 통해 입증했다. 이는 기존의 패러다임과 크게 배치되는 결과이다.

이를 이해하기 위해 연구진은 밀도범함수 이론5) 기반의 양자역학 모델링 기법을 이용해, 망간 (Mn), 바나디윰 (V), 몰리브데늄 (Mo)-기반 무질서-암염의 경우, 리튬-과잉-조성의 유무와 상관없이 높은 성능을 보일 수 있음 보였다. 니켈, 코발트와 같은 전이금속 기반 무질서-암염의 경우, 리튬-과잉-조성이 이들의 작동전압을 적당한 범위로 조절해 주어 성능 향상에 기여하는 반면 망간, 바나디윰, 몰리데늄은 리튬-과잉-조성이 작동 전압 조절에 영향을 미치지 않기 때문이다. 

3. 기대효과   

망간은 철과 함께 지구상에서 가장 풍부한 전이금속이며, 기존 양극재를 구성하는 코발트 (Co)에 비해 30배 이상 저렴하다. 따라서 망간기반 고용량 양극재는 차세대 리튬이온전지 연구에 큰 축이 되어 왔다. 기존의 망간 무질서-암염 양극재는 기존의 리튬-과잉-조성 패러다임에 입각해, 이 조성을 띄게끔 만들어 졌지만, 위에 언급하였듯이, 이 조성을 갖게 되면 초반 충·방전 용량은 매우 높을 수 있지만, 불안정한 산소가 충·방전 중 양극재 구조 내에 생성이 되고, 이들이 다양한 문제를 일으켜 수명을 떨어뜨렸다.

그러나 연구진의 새로운 결과는, 망간기반 무질서-암염의 경우, 리튬-과잉-조성이 필요하지 않으며, 이 조성에서 벗어나게끔 구성됨으로써 이들의 수명을 획기적으로 늘어날 수 있음을 보였다. 이 연구를 바탕으로 저렴하고 성능 좋은 리튬이온전지를 만들어 값싼 전기차 개발에 크게 기여할 수 있을 것이라고 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 무질서-암염 양극재 (Disordered-rocksalt cathodes)

리튬이온전지 양극재의 일종으로, 양극물질의 구조 내에 양이온 (리튬이온, 전이금속 이온)이 무질서(랜덤)하게 배열되어 있는 소재이다. 소금(암염)의 원자 배열 구조와 유사해 무질서-암염 양극재라 불린다.

2. 리튬이온전지

충방전이 가능한 이차 전지의 일종이다. 크게 음극, 양극, 전해질, 분리막으로 구성된 전지다. 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동한다. 현재 다양한 전자기기, 로봇, 전기차에 널리 쓰이고 있다.

3. 양극재

리튬이온전지의 방전 때 음극에서 나오는 리튬이온을 양극에서 받아들이는 소재이다.

 4. '리튬-과잉-조성’의 원칙

무질서-암염 양극재의 리튬 이온이 충방전 중 빠른 이동을 위해서, 양극재의 조성이 구조내 리튬의 비율이 전이금속보다 높은 ‘리튬-과잉-조성’을 띄어야 한다는 기존의 이해이다. 일반적인 양극재 내에는 리튬 조성 비율은 전이금속과 동일하다 (예: LiCoO2).

5. 밀도범함수 이론 (DFT, Density Functional Theory)

물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론의 하나이다.

[붙임] 그림설명

그림 1. (좌) 무질서-암염 양극재의 결정 구조(원자 배열의 규칙적인 모양)와 (우) 합성된 망간 기반의 무질서-암염 양극재 입자 사진

그림 2. 새롭게 만들어진 망간 기반 무질서-암염 양극재의 충·방전 특성. 양극재 내 리튬의 비율이 상대적으로 낮은 양극재1과 리튬 비율이 높은 양극재2를 비교했을 때 비용량(단위 그램당 용량) 차이는 거의 없고, 충·방전을 반복(그래프 선이 1회 사이클)했을 때 용량이 주는 수명 문제는 리튬이 적은 양극재1이 훨씬 우수하다.