고려대 공과대학 신소재공학부 강용묵 교수와 미국 LBNL(Lawrence Berkeley National Lab) Wanli Yang 박사 공동 연구팀이 전기자동차용 리튬 이차전지의 양극소재로 사용되는 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(이하 NCM)에서 세계 최초로 음이온 산화/환원 현상을 발견해 향후 NCM 소재의 성능과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 토대를 마련했다. 해당 결과는 지난 7일 세계적인 학술지 'Angewandte Chemie International Edition'에 발표됐다.

공동연구팀은 산소의 음이온 산화/환원 현상을 관찰하는 데 있어 가장 신뢰성이 높은 방법으로 알려진 공명 비탄성 X-선 산란법(RIXS)을 활용해 NCM의 충전 과정에서 전체 리튬 이온의 약 70% 이상이 빠진 이후부터 전이금속에서의 산화 현상은 사라지고, 산소에서의 전자 탈리를 통해 충전이 이뤄진다는 사실을 세계 최초로 관찰했다. 또한 이러한 산소로부터의 전자 탈리 현상은 일정 수준 이상의 가역성을 가지고 있어서 NCM의 가역 용량을 향상하는데 기여할 수 있음을 확인했다.

최근 리튬 과량(Li rich) 층상구조 양극 소재 등을 중심으로 관찰되고 있는 음이온 산화/환원은 기존 전이금속의 산화/환원 범위 이상으로 전자 이동을 유발함으로써 리튬 이온의 이용량을 증가시켜 리튬 이차전지의 용량을 혁신적으로 높일 수 있는 메커니즘으로 알려져 있다. 그러나 현재까지 제시된 이론들에 따르면 리튬이 과량으로 들어있거나 구조 내 결함 등이 존재해 층상 구조 내 비대칭성이 발생할 때만 발생하는 것으로 알려져 있었다.

장성환 다른기사 보기