친환경 저온 합성법을 통한 배터리 음극재 개발
친환경 저온 합성법을 통한 배터리 음극재 개발
  • 정이레 기자
  • 승인 2021.06.24 17:39
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임원빈 한양대학교 교수
기사와 직접적 관련 없는 이미지 Ⓒgettyimagesbank
기사와 직접적 관련 없는 이미지 Ⓒgettyimagesbank

음극재는 배터리 핵심 소재 중 하나로 리튬이온을 받아 저장했다가 방출하면서 전기를 발생시키는 역할을 한다. 특히 음극재는 배터리의 용량, 수명과 충방전을 좌우하는 핵심 소재이다.

하지만 기존의 배터리 음극재 합성 연구는 고상 합성 시 높은 열처리 온도와 낮은 확산계수로 인해 많은 에너지 소비가 필요하고 소재의 형상제어가 어려운 점과 액상 합성의 경우 형상제어가 가능하나 많은 양의 용매 (증류수, 유기용매)가 사용되는 단점이 있다.

 

이에 임원빈 교수(한양대학교) 연구팀은 수증기를 이용해 음극재 소재를 낮은 온도에서 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

 

■ 저온 합성법의 공정 메커니즘 ■ 원재료의 물 용해도에 따른 반응 속도 메커니즘 그림. 수증기에서 생성된 물방울은 합성을 가속화하고 합성물의 입자 크기를 조절하는 역할을 한다. 또한, Ca(칼슘)을 치환함에 따라 입자 성장 속도 제어 및 다공성을 높여 표면적을 넓힐 수 있다. [그림설명 및 그림제공 = 한양대학교 임원빈 교수]
■ 저온 합성법의 공정 메커니즘 ■
원재료의 물 용해도에 따른 반응 속도 메커니즘 그림. 수증기에서 생성된 물방울은 합성을 가속화하고 합성물의 입자 크기를 조절하는 역할을 한다. 또한, Ca(칼슘)을 치환함에 따라 입자 성장 속도 제어 및 다공성을 높여 표면적을 넓힐 수 있다. [그림설명 및 그림제공 = 한양대학교 임원빈 교수]

연구팀은 초미세 액상반응(sub-micro droplet reator)을 통한 고상합성법은 고상 원료에 수증기를 분사한 후 80도의 온도에서 물질의 표면에서부터 내부까지의 상합성을 유도하여 균일한 입자 크기와 형상의 음극재를 제조했다.

나노미터 크기의 수증기 내부에서 소재합성 반응이 일어나게 하여, 소재의 크기와 형상을 쉽게 제어할 수 있는 것이 특징이다. 기존 합성방법은 고온 조건과 유독한 유기용매와 고가의 재료를 사용하기 때문에 환경오염과 높은 에너지 소모문제가 있었다. 하지만 새로운 합성법은 유독한 용매 대신 수증기를 매우 적은 양으로 낮은 온도에서 재료합성이 가능하여 친환경적이고 경제적이다.

초미세 액상반응법을 통해 Ca(칼슘)이 도핑(doping)Li3VO4음극재를 합성하였다. 나노미터 크기에 수증기 내부에서 합성된 Ca-doped Li3VO4은 소재 반응기의 크기를 나노미터로 제어하여 고상합성법에 의해 합성된 소재에 비해 비표면적을 약 30배 증가시킬 수 있었다. 합성된 음극재는 매우 우수한 전기화학적 특성을 보여주었으며, Ca- doped Li3VO4 음극재와 NCM622(LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2)양극재로 완전 셀 형태를 제작하여 543mAhg-1의 용량을 얻을 수 있었다.

 

연구팀은 저온 초미세 액상반응법은 리튬 배터리 음극재에 우수한 표면제어와 전기화학적 성능 향상을 보여줄 수 있어, 향후 다양한 에너지 저장재료에 친환경적 합성법으로 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한, 해당 새로운 합성법은 유독한 용매 대신 수증기를 매우 적은 양으로 낮은 온도에서 재료합성이 가능하여 친환경적이고 경제적인 합성방법이어서 그 의미가 크다고 할 수 있다.

 

이번 연구 성과는 국제학술지네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’525일 게재되었다.

 

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