강 교수팀은 한국표준과학연구원 김용일 박사, 재료연구소 최시영 박사와의 공동연구를 통해 리튬이차전지에 범용으로 사용되는 리튬코발트산화물(LiCoO2)의 충전전압을 4.5V 이상 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 이를 통해 높은 출력과 에너지 밀도를 지닌 전지를 생산할 수 있게 됐다.
신재생 에너지 기술의 핵심이라 할 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS) 및 전기자동차(EV) 부문은 높은 출력과 에너지 밀도를 동시에 구현할 수 있는 이차전지를 필요로 한다. 단기적으로 이러한 목표의 달성을 위해서는 고용량 음극 소재의 개발과 함께 현재 사용되고 있는 범용 양극 소재의 고전압화가 필수적인 것으로 인식되고 있다. 이로 인해, 다양한 신규 고전압 양극 소재가 제시돼 왔지만, 고전압에서의 가스 발생 등 부작용으로 개발에 어려움을 겪어왔다.
연구팀은 지금까지의 선행연구에서 걸림돌로 작용하던 층상구조 양극 소재의 퇴화원인을 제거해 기술 개발에 성공했다. 이들은 충전 중 발생하는 구조 붕괴와 전해질 분해 반응으로 양극 소재 표면에 형성된 성분 중 향후 반응에서 산을 유발하는 물질이 있다는 것을 알아냈다. 이에, 인(Phosphorus)을 리튬코발트산화물의 표면구조에 도핑(doping)하는 방법으로 이 두 가지 문제를 모두 해결했다. X-ray 회절 분석과 STEM 분석을 연계, 해당 방법을 사용했을 때 고전압 충전에서도 리튬코발트산화물의 결정구조와 표면구조가 안정화될 수 있음을 확인했다.
강용묵 교수는 "리튬이온이차전지의 최종 목표가 전기자동차(EV)나 에너지 저장 시스템(ESS)에 적용하는 것임을 고려했을 때, 양극 소재의 고전압화 기술은 매우 중요한 부분이며, 이는 산업계나 학계에서 모두 이견이 없는 사항"이라며 "이번 연구는 가장 전통적이고 오래 사용된 리튬코발트산화물 층상구조의 안정화를 통해, 해당 소재의 사용영역 확대 가능성을 보여줬다는 점에서 큰 의의가 있어, 기술 상용화 가능성을 타진하기 위해 여러 업체와 협의 중에 있다"고 말했다.
한편, 한국연구재단 「기후변화대응 기술개발사업」 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 결과는 지난 21일 에너지 환경분야 최고 권위지인 'Advanced Energy Materials' 인터넷판에 게재됐다.
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