에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀 (제1저자 이은강연구원) 의 리튬이온배터리 양극소재의 열적안정성에 대한 논문이 소재과학(material sciences) 분야의 세계적 권위의 학술지인‘Advanced Science’에 온라인으로 지난 4월 24일(금)에 게재되었으며, 5월 15일 저널 커버로 선정되었다.

고성능 차세대(Next-generation) 전기 자동차 및 전자기기들의 지속적이고 편리한 사용을 위해 리튬이온배터리의 양극소재로 고(高) 함량 니켈계 층상구조 양극소재가 각광받고 있다. 하지만, 이러한 고(高) 함량 니켈계 층상구조 양극소재가 갖는 고유한 열적불안정성은 소재 상용화의 걸림돌이 되어왔다. 여러 연구들이 진행되어왔지만, 현재까지도 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성을 유발하는 근본적인 원인에 대한 규명이 부재하였기에 획기적인 열적안정성 개선이 이뤄지지 못하였다.

윤원섭교수팀은 가열 중에 변화하는 고(高)함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열분해 반응에 대한 체계적인 연구를 통하여, 기존에 밝혀지지 않았던 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성의 원인은 가열 중 니켈이온에 의한 소재의 열팽창과 소재 내 산소결함의 발생이 상전이에 필요한 에너지를 낮춰주기 때문이라는 것을 규명하였다.

고 에너지밀도를 위해 반드시 양극소재에 필요한 원소인 니켈이온이 층상구조 양극 소재의 열적불안정성을 유발하는 메커니즘 규명을 통해, 본 연구는 고(高)함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열적불안정성 개선을 위한 핵심 인자 (Key-factor)를 제시한다. 그러므로 본 연구 결과는 리튬이온배터리의 안전성 개선을 위한 기존과 다른 새로운 통찰 및 방안을 제공함으로써 고 성능 전기차 및 전자기기 사용에서 가장 중요한 리튬이온배터리의 안전성 향상시키는데 중요한 역할을 할 것으로 기대 된다.

본 논문의 제 1저자인 이은강 연구원은 “더 오래가고 더 안전한 전기자동차 개발에 가장 걸림돌이 되어온 리튬이온배터리의 발화, 폭발 등의 안전성 이슈에서 중요 설계인자들을 도출함으로써 리튬이온배터리의 안전성을 획기적으로 향상시킬 가능성을 열었다는데 그 의미가 있다”라고 전했다.

※ 논문명: Tracking the Influence of Thermal Expansion and Oxygen Vacancies on the Thermal Stability of Ni‐Rich Layered Cathode Materials
※ 논문 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902413

외부 온도증가에 따른 층상 구조 Ni-rich 양극소재 내 발생하는 열팽창 (thermal expansion)과 산소결함 (oxygen vacancy) 의 발생과

그에 따른 결정구조 변화 및 상전이 과정에 대한 모식도