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”며 “차세대 장수명·고용량 이차전지 전극 소재 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 생각한다”고 설명했다.
이번 연구결과는 미국화학회(American Chemical Society)의 ‘재료화학 저널(Chemistry of Materials, 영향지수=9.567)’ 4월27일자 온라인에 게재됐으며, 연구의 중요성을 인정받아 저널표지 논문으로 출판될 예정이다.
서충환 기자 seo@idaegu.com