나노기술 및 정책 정보

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리튬 코발트산(LiCoO2)은 최초로 상업화된 리튬이온전지 양극소재에 속함. 매우 높은 소재밀도와 전극 충진밀도(Electrode compaction density)를 가지고 있어 리튬 코발트산 양극을 사용하는 리튬이온전지는 체적 에너지밀도가 높기 때문에 리튬 코발트산은 소비전자용 리튬이온전지 분야에서 널리 응용되고 있음.

소비자 가전 제품이 리튬이온전지 수명에 대한 요구가 점점 더 높아짐에 따라 전지 체적 에너지밀도를 더욱 향상시켜야 함. 리튬 코발트산을 이용하는 전지의 충전전압은 전지의 체적 에너지밀도를 향상시킬 수 있기 때문에 차세대 고전압 리튬 코발트산 소재의 개발은 과학기술 연구 분야와 업계의 공동 관심 이슈가 되고 있음.

현재 리튬 코발트산을 이용하는 전지의 충전차단전압은 1991년 초기 상용화 당시 4.20V 에서 4.45V(vs Li/Li+) 로 점진적으로 증가했음. 체적 에너지밀도는 이미 700Wh/L 이상을 기록하였음. 충전전압이 증가함에 따라 리튬 코발트산 소재는 불가역적 구조 위상 변화가 발생하고, 표면 인터페이스 안정성이 떨어지며, 안전 성능이 떨어지는 등의 문제가 발생하여 실제 응용을 제한하고 있는 상황임.

중국과학원 물리학 연구소 산하 "베이징(北京) 응집물질물리 국립 연구 센터" 소속 "청정에너지 핵심 연구실" E01 연구팀은 고체 전해질 소재인 Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3(LATP)을 이용하여 리튬 코발트산을 코팅하는 기술을 개발하였음. 동 기술을 통해 특성을 개선한 리튬 코발트산 소재는 현재 실험실에서 보고된 결과 중 최적의 실온 및 고온 전기화학 성능을 보이고 있음.

연구팀은 소재합성 과정에서 LATP와 리튬 코발트산 소재가 반응하여 높은 구조 및 전기화학적 안정성과 우수한 이온 및 전자 전도성 특성을 가진 균일한 인터페이스 층으로 변환되어 리튬 코발트산 소재가 고전압 충전 과정에서 나타내는 표면 안정성 문제를 해결한다는 점을 발견하였음.

최근 몇 년 동안 연구팀은 고전압 리튬 코발트산 소재 개발 및 관련 기초연구를 실행하였음. 선행 연구를 통해 고전압 리튬 코발트산 소재 특성 개선은 표면과 체상(體相) 특성 개선 등 다양한 기술 결합이 필요하다는 점을 발견하였음.

연구팀은 지난 2019년에 Ti-Mg-Al 미량 원소도핑 특성 개선 기술 개발에 성공하였으며, 다양한 실험 방법 결합하여 각 도핑원소의 작용 메커니즘을 해석하였으며(Nature Energy,2019, 4, 594), 미국의 싱크로트론 방사 X선 3차원 나노회절 이미징 기술을 이용하여 Ti-Mg-Al 공동 도핑 리튬 코발트산 소재 입자구조와 소재가 충방전 과정에서 나타내는 역효과에 대한 연구를 하였음.

연구팀은 관련 실험을 통해 마이크론 레벨의 입자 소재 내부 50nm 공간 사이즈에서 결정체 구조 결함 및 공간 분포를 관찰하였음. 결과는 도핑원소가 리튬 코발트산 입자 내부의 결함과 분포를 조절할 수 있다는 점을 발견하였으며, 따라서 고전압 충전 및 방전 과정에서 리튬 코발트산 소재의 구조적 위상 변화를 조절할 수 있게 됨.

연구팀은 이번 연구를 통해 체상(體相) 구조, 표면 구조와 소재 서브 마이크론 스케일 미시 구조 등 다양한 차원의 소재에 대한 종합 설계의 중요성을 명확히 하고 고전압, 고용량 양극 소재 디자인을 위한 이론적 근거를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Energy Materials’ ("An In Situ Formed Surface Coating Layer Enabling LiCoO2 with Stable 4.6 V High‐Voltage Cycle Performances") 지에 게재됨.