리튬 이차 전지용 NCM 단결정 양극 소재의 수명 및 출력 특성 향상을 위한 

노출면 조절 기술 개발

고려대학교(김동원 총장) 신소재공학부(및 KU-KIST 융합대학원)의 강용묵 교수 연구팀이 전기자동차(EV)용 이차전지의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 NCM(니켈-코발트-망간) 단결정 양극 소재를 개발했다.

이번 연구는 NCM 단결정 양극 소재의 노출면을 조절함으로써 출력 및 수명 특성 동시 향상에 성공하여, 에너지 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’에 온라인 게재됐다.
* 논문명: Optimal Facet Assembly of Multi-Transition Metal Layered Cathodes toward Superior Li-Ion Kinetics and Structural Stability
* 저널명: Energy & Environmental Science (2024년 5월 22일 online published: [https://doi.org/10.1039/D4EE00794H])

NCM(니켈-코발트-망간) 소재는 타 양극 소재 대비 높은 에너지 밀도로 전기자동차의 주행거리 확장에 유리하다. 특히 니켈 함량이 높은 NCM 양극 소재는 에너지 밀도 측면에서 국내 셀 기업의 기술적 우위를 나타내는 대표적인 소재로 여겨진다. 하지만 기존의 다결정 기반 NCM 양극 소재의 경우 충전 및 방전 시 입자가 받는 높은 스트레스로 인해 수명 특성이 급격히 열화하는 문제점이 있었다. 이 문제를 해결하고자 제시된 단결정 NCM는 충전 · 방전 시 스트레스가 감소하여 다결정 NCM 대비 우수한 수명 특성을 보인다. 다만, 출력 특성이나 다른 전기화학적 성능에 있어서 한계를 가졌었다.

강용묵 교수 연구팀은 리튬염의 리튬 및 산소 화학 포텐셜을 조절해 단결정 NCM 양극 소재의 노출면을 제어하는 기술을 개발했다. 특히, 노출면에 따른 전기화학적 특성의 변화를 체계적으로 분석함으로써 NCM 양극 소재의 출력 및 수명 특성을 동시에 향상 시킬 수 있는 방법을 제시했다.

이번 연구는 단결정 양극 소재 특정 노출면 조절이 해당 소재의 여러 가지 전기화학적 특성을 동시에 최적화하기 위한 핵심 인자임을 증명해 향후 여러 단결정 양극 소재 개발에 중요한 기술적 토대가 될 것으로 기대된다.

본 연구는 연세대 이용민 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 이루어졌으며, 한국연구재단 중견 연구자 사업, 나노 및 소재 기술 개발(전략형) 사업, 그리고 Umicore Battery Materials 등의 지원을 받아 수행됐다.

<그림 1>

▲ (위) 모식도-리튬 및 산소 화학 포텐셜에 따른 NCM 단결정 노출면 조절 모식도

<그림 2>

▲ (위) 모식도-충방전 중 노출면에 따른 계면열화 차이 모식도

커뮤니케이션팀 유정아(aajyoo@korea.ac.kr)