▲ 이지훈 교수

경북대 연구진이 차세대 장수명·고용량 전극 소재를 개발할 수 있는 핵심기술을 제시했다.

경북대 신소재공학부 이지훈 교수팀은 미국 브룩헤이븐 국립연구소 황수연 박사 연구팀과의 공동연구로 전이금속 산화물(MxOy) 기반 리튬이온전지 음극소재의 비대칭 충·방전 반응 메커니즘을 규명했다.

현재 상용화된 리튬이온전지 음극에는 주로 흑연이 사용되고 있다. 전이금속 산화물을 기반으로 하는 음극소재는 기존 흑연에 비해 저장 용량이 높지만, 내구성이 떨어져 흑연 소재에 비해 수명이 낮다.

이러한 문제 해결을 위해 정확한 충·방전 메커니즘의 이해가 필요하지만, 많은 양의 리튬이온 주입·제거로 인한 원자 수준의 상변화로 인해 정확한 반응 경로 추적은 어려웠다.

이 교수팀은 실시간 투과 전자 현미경 분석과 방사광 가속기 기반의 고-선속 X선 기술을 통해 전이금속 산화물 기반 음극의 복잡한 충·방전 반응 경로를 밝혀냈다. 이번 연구로 방전 반응에서 전이금속과 산소 이온의 재배열·확산을 통해 생기는 중간상의 존재를 확인했으며, 이 중간상의 가역적인 반응 여부를 전지 수명을 결정짓는 핵심인자로 제시했다.

이지훈 교수는 “이 연구는 소재의 비대칭 충·방전 반응으로부터 이차전지의 수명에 큰 영향을 미치는 새로운 인자를 찾아냈다는 점에서 기초 연구 성과로서 매우 큰 의미가 있다”라며 “차세대 장수명·고용량 이차전지 전극 소재 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 생각한다.”라고 설명했다.

이번 연구결과는 미국화학회(American Chemical Society)의 ‘재료화학 저널(Chemistry of Materials, 영향지수=9.567)’ 4월 27일자 온라인에 게재됐으며, 연구의 중요성을 인정받아 저널표지 논문으로 출판될 예정이다.

논문 제목 : Asymmetric Reaction Pathways of Conversion-Type Electrodes for Lithium-Ion Batteries

(리튬이온전지의 치환형 전극 소재들의 비대칭 반응 경로에 대한 연구)

제1저자: Shuang Li

교신저자: 이지훈 (Ji Hoon Lee, 경북대학교 신소재공학부), 황수연 (Sooyeon Hwang, 브룩헤이븐 국립연구소)

용어 설명

# 전이금속 산화물:

d 오비탈을 점유하고 있는 전자의 개수에 따라 다양한 산화수를 가질 수 있는 전이금속과 산소로 이뤄진 산화물을 지칭한다. 같은 전이금속(예: Fe)이라고 할지라도, 전이금속 이온과 산소의 숫자의 비율이 산화수에 따라 다를 수 있다. (예: Fe2+ (FeO), Fe3+ (Fe2O3), Fe2+/3+ (Fe3O4))

# 투과 전자현미경:

전자를 고속으로 가속시킨 전자선을 시료에 투과시켜 다양한 전자렌즈로 집속·확대시켜 시료를 원자 수준에서 관찰하는 장비이다. 전자선의 산란을 막고 집속시키기 위해 고진공의 환경이 요구된다. 최근, 시료 홀더의 고도화를 통해 다양한 반응(전지, 촉매, 고온 등)을 실시함과 동시에 시료의 구조 변화를 관찰하는 실시간 투과 전자현미경 연구가 수행되고 있다.

# 방사광 가속기:

고전압으로 강하게 가속시킨 전자가 감속하는 과정에서 방출되는 X선을 활용해 다양한 분석을 할 수 있는 연구시설을 의미한다. 국내에는 포항가속기 연구소(Pohang Accelerating Laboratory)의 3세대 포항 방사광 가속기(Pohang Light Source-II; PLS-II)가 있어, 다양한 기초과학 및 응용공학 연구를 수행하고 있다.