나노기술 및 정책 정보

• 목록

중국 베이징(北京, 북경) 대학교 선전(深圳, 심수) 대학원 신소재 대학 판펑(潘鋒, 반봉) 교수 연구팀은 리튬 배터리 소재 유전자학(Genomics)과 d-전자학 구조 화학에 대한 탐색 연구를 수행하여, 관건적인 전이 금속 원소 및 구성 기능 구조 프리미티브(primitive)의 연결 방식과 전자스핀 상호 역할이 발생시키기 될 자기 저항 커트와 초(超) 교환 작용으로 인해 발생하는 Li/Ni의 반위(反位) 메커니즘을 발견함.

판펑(潘鋒, 반봉) 교수 연구팀은 미국 아궁 국가 실험실(Argonne National Laboratory) Khalil Amine 교수, Jun Lu 연구원과 심층적인 공동 연구를 통해 Ni, Mn, Co 3개 원소가 3윈 층상 산화물에 대해 어떤 역할을 발휘하는지에 대한 분석 연구를 수행하였으며, 연구팀은 2원 전이금속(NiCo와 NiMn의 6:4, 8:2)에 대한 연구와 배터리 층상 소재 전이 금속 스핀전자 상호 역할의 구성 효과에 대한 심층적인 연구를 수행하고, 무(無) 코발트 소재 연구 분야에서 중대한 성과를 획득함.

연구팀은 원 위치 싱크로트론 방사와 구면수차(spherical aberration) 전자 현미경(electron microscope) 등 기술 및 양자화학 계산을 결합하여 NMC 양극 소재에 대한 코발트 원소의 주요 역할을 심층적으로 분석하고, 완전히 새로운 무(無) 코발트 소재 구성 부분에 대한 심층적인 분석을 수행함.

이번 연구를 통해 코발트는 층상 순서적인 구조 형성에 유리하지만 배터리의 전기화학 성능과 구조 안정성에 대해 모두 불리한 영향을 끼치고 있으며, 특히 고 전압 하에서 구조적 산소 상실 및 전이 금속의 이전을 발생시킨다는 점을 입증함.

또한, 코발트의 존재는 입자 모양의 안정성이 떨어지는 문제를 가중시켜 입자 균열의 발생을 가속화 시킨다는 점을 발견하였으며, 코발트 대신 망간 원소를 사용하면 구조와 모양 안정성이 떨어지는 문제를 잘 완화시키는 동시에 더욱 높은 전압 성능을 취득할 수 있다는 점을 입증함.

연구팀은 관련 메커니즘에 대한 연구를 수행한 기초 상에서 새로운 구성 성분인 LiNiαMnβXγO2(NMX)는 잠재력을 보유하고 있는 무(無) 코발트 양극 소재의 발전 방향을 제시한 동시에 동 계열 소재의 우수한 성능을 검증하는데 성공함.

이번 연구는 고성능, 저 원가의 무(無) 코발트 배터리 발전을 추진하는 면에서 중요한 의미를 가짐.

본 연구 성과는 Nature Energy ("Understanding Co roles towards developing Co-free Ni-rich cathodes for rechargeable batteries")에 게재됨.