Energy Storage & Conversion Materials Laboratory

[2020.09.22_Nature Energy 논문 게재 ] 1회 충전 6-700km 주행 및 20년 사용 가능한 이차전지 논문 발표: 선양국 한양대 에너지공학과 교수 연구팀이 원자 및 마이크로 단위로 공학설계 한 이차전지 양극소재 원천기술을 에너지 분야의 세계적 최고 권위 학술지인 ‘네이처 에너지 (Nature Energy IF: 46.495)’에 게재했다. 한양 배터리센터 선양국 교수(센터장, 윤종승 교수와 공동연구) 연구팀은 전기자동차 1회 충전 시 600-700km 주행 가능하며 20년 동안 사용해도 성능이 유지되는 차세대 리튬이차전지 양극소재 연구결과를 발표했다. K-양극소재로써 3세대 전기자동차 시장을 견인하는 기폭제 역할을 할 것으로 기대 된다. (1회충전 기준; 1세대: 200 km미만, 2세대: 320-500 km, 3세대: 500-700 km) 양극소재는 리튬 금속 산화물로 이차전지를 구성하는 4대 소재 중 하나이며 에너지밀도 및 수명에 가장 큰 기여를 한다. 또한 전기자동차 가격의 20%이상을 차지하는 원재료이기에 전기자동차의 핵심소재이다. 따라서 양극소재의 에너지밀도와 수명향상은 전기자동차의 가격 절감과 주행거리와 사용기간 증대로 이어진다. 에너지밀도는 소재 내 니켈 함량에 비례한다. 때문에 현 이차전지 업계는 양극소재 내 니켈함량을 높여 전기자동차 주행거리를 향상시키는 것에 초점이 맞춰져 있다. (상용화 된 양극소재는 Ni 60-80% 수준의 NCM(니켈, 코발트, 망간)과 테슬라에 사용 되는 NCA (니켈, 코발트, 알루미늄)로 구성) 하지만 충전할 때, 니켈 함량이 증가함에 따라 양극소재에 스트레스가 쌓이는 문제가 있다. 특히 마지막 20-30%의 용량을 충전하는데 급격한 스트레스가 발생하며 온전히 양극소재에 축적된다. 스트레스를 해소하기 위해 양극소재는 불가피하게 미세균열을 발생시키는데 이는 수명과 안정성을 급격히 하락시키는 원인이다. 따라서 전기자동차용 이차전지는 본래 용량의 70-80%만 충전시킬 수 있도록 설계되며 나머지 용량은 버려지는 문제가 있다. 선양국 교수 연구팀은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 두 가지 해결책을 제시하였다. 첫 번째는 스트레스를 줄일 수 있는 “오더링 구조”이다. 상용 양극소재에 높은 산화수를 갖는 금속 도핑(Ta, Mo, Nb, W)을 통해 리튬과 전이금속의 자리바꿈을 유도했다. 기존 층상계 구조는 고전압까지 충전할 때 특히 불안정하다. 이 상태로 지속적으로 사용하면 결정구조가 무너지는 현상이 생긴다. 이 현상이 전지자동차의 출력을 떨어트리고 주행거리를 감소시키는 문제점으로 나타난다. 새로운 오더링 구조는 충전 시에도 매우 안정적으로 결정구조를 유지하며 스트레스를 줄여주는 역할을 수행한다. 두 번째는 스트레스가 축적돼도 견딜 수 있도록 입자 형상을 설계하여 “막대모양”으로 구성된 양극소재를 합성한 것이다. 두 가지 해결책이 적용 된 양극소재는 100% 충전을 해도 미세균열이 생기지 않는다. 원자 및 입자형태 변환을 통한 마이크로 수준의 공학설계를 통해 높은 에너지 밀도를 유지하면서 안정적인 수명특성을 갖는 혁신적인 “NCX” K-양극소재가 개발 되었다. *NCX= Li[Ni0.9Co0.09X0.01]O2 (X=Ta, Mo, Nb, W) K-양극소재는 90-95%의 니켈을 포함하고 있음에도 불구하고 본래 에너지밀도를 100% 활용 가능하다. 이는 버려지는 에너지가 없어 이차전지의 가격 및 무게 절감 효과로 이어지며, 1회 충전으로 600-700 km의 주행거리를 가지게 해준다. 동시에 2,000회 충 방전에도 90%의 안정적인 용량 유지율 나타내는데, 20년 이상 사용해도 초기와 비슷한 성능을 나타낼 수 있다. 또한 10분의 급속 충전이 가능하며 차세대 이차전지인 전고체 시스템에 적용가능하다. 추후 1,000km까지 주행할 수 있는 전기자동차도 상상할 수 있다고 전했다.금번 선양국 교수연구팀의 연구는 높은 학술적 가치를 인정 받아 에너지분야의 세계 최고권위의 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 게재 되었다. 관련 논문 https://www.nature.com/articles/s41560-020-00693-6

2020-09-22

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