DNA와 탄소나노튜브를 활용한 ‘리튬 과잉 양극소재’ 표면 안정화
통합 고도분석법을 통한 성능 및 수명 향상 인자 규명

[기계신문] 사물인터넷과 전기자동차 시대가 도래함에 따라, 이들 기기의 전원으로 널리 사용 중인 고용량 고성능 리튬이온배터리에 관한 연구가 활발하다. 고용량 고성능 배터리를 구현하기 위한 방법 중에서, 고용량 고전압 양극 활물질을 이용하는 것은 가장 효율적이고 용이한 방법이다.

하지만 이러한 물질의 경우, 수명 특성 저하를 야기하는 문제가 있다. 이러한 대표적인 문제들의 가장 큰 원인은 전해액과 양극과의 계면 반응 때문인데 이러한 현상은 고전압 배터리일수록 더욱 심각해진다.

따라서 리튬 이차 배터리용 고용량 고전압 전해액 개발을 위해서는 전해액과 전극의 계면 반응 제어 기술 확보가 필수적이다. 고용량 고출력 리튬이온 배터리를 개발하기 위해서는 고전압 전해액 개발과 함께 전극의 안정성, 특히 전해액과 전극 계면의 안정성 확보가 필수적이다.

최근 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 정경윤 단장, 장원영 박사 연구팀이 울산과학기술원(UNIST) 이상영 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 연어의 DNA를 활용, 리튬 과잉 양극 소재(Over-Lithiated Oxide, OLO)의 표면을 안정화시켜 고성능 양극 소재를 개발했다.

리튬이온전지는 이차전지의 일종으로, 충전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하여 저장된다. 이 양극에 저장할 수 있는 리튬이온이 많을수록 전지의 용량은 향상된다. 즉, 고용량의 양극 소재 개발은 리튬이온전지 용량 증대의 핵심이다.

리튬 과잉 양극 소재(OLO)는 이론용량이 250mAh/g으로 에너지 저장용량을 50% 이상 상승시킬 수 있는 차세대 양극 소재로서 오랫동안 주목받아 왔다. 하지만 충·방전 과정에서 리튬이 위치한 금속층이 붕괴되고 부풀어 올라 더 이상 사용할 수 없게 되는 문제가 있었다.

▲ 리튬이온과 친화력이 우수한 연어의 DNA를 탄소나노튜브와 합성, OLO 표면에 부착하여 표면 구조를 제어한 양극 소재를 합성하는 절차의 모식도

KIST 연구팀은 투과전자현미경을 이용하여 기존 OLO 소재의 표면과 내부의 결정구조 변화를 각각 위치별로 분석하였다. 그 결과, 전지 구동 후 전극의 표면에서부터 금속층 붕괴가 진행된다는 사실을 확인했다.

이에 공동 연구팀은 리튬이온과 친화력이 우수한 연어의 DNA를 활용하여 소재 붕괴의 원인인 표면 구조를 제어하였다. 하지만 DNA는 수용액 내에서 거대하게 뭉쳐지는 문제가 있는데, 탄소나노튜브(CNT)와 합성하여 이를 극복하고 균일하게 배열, OLO 표면에 부착하여 새로운 양극 소재를 개발했다.

연구팀은 통합고도분석법으로 분석하여 OLO 소재의 전기화학적 특성 및 구조 안정성 향상의 메커니즘을 규명했다. 실시간 X-선 분석기법으로 충·방전이 진행되는 과정에서 전극 소재의 구조 붕괴가 억제됨을 확인했으며, 구조 변화 분석을 통해 배터리가 과열되더라도 안정적임을 확인하였다.

UNIST 이상영 교수는 “합성 소재에 기반한 기존 시도들과는 다른 개념인 생명체의 기본 물질인 DNA를 이용한 연구 결과로서, 고성능 전지 소재 개발의 새로운 방향을 제시했다”고 개발 의미를 밝혔다.

KIST 정경윤 단장은 “통합고도분석법을 통해 고에너지·안전성 양극 소재의 설계 인자를 제시했다는 것에 큰 의미가 있다”며 “이번 연구 결과를 토대로 기존 상용화 양극 소재를 대체할 신규 소재 개발 연구에 더욱 박차를 가할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구에서 개발한 DNA 기반의 활물질 소재 표면처리 방법은 고성능 배터리 구현을 실현시켰다. 또한, 친환경적이고 단순한 공정을 통해 활물질 표면을 제어할 수 있는 기술이다. 고용량, 고성능 열적 안정성까지 확보한 이번 연구는 고용량 배터리의 상용화를 앞당기는 새로운 패러다임을 제공할 것으로 기대된다.

▲ 표지 논문 선정 이미지(Front cover)

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 기초연구사업 및 웨어러블플랫폼소자기술센터사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 최신호에 표지논문(Front cover)으로 3월 3일자 출판 게재됐다.

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