Li/Mn-rich 층상구조 산화물(이하 LMR)은 높은 이론 용량(~300 mAh/g)을 보유하여, LIB의 차세대 양극 소재로 주목받고 있다. 그러나 전지 구동 과정에서 전기화학 성능 문제(전압 히스테리시스, 전압 강하, 낮은 쿨롱 효율) 및 구조적 안정성 문제(산소 가스 발생으로부터 기인하는 구조 불안정화)가 수반된다. 이러한 열화 현상을 유발하는 핵심 기전이 산소의 산화/환원 반응인 것으로 이해되고 있지만, 이를 극복할 연구 전략 혹은 공학적 기술은 여전히 충분히 갖춰지지 못한 상황이다. 기존 문헌에 따르면, LMR 소재의 고전압 충전시 monoclinic 상이 활성화되면서 산소의 산화가 발생하는데, 해당 상이 과도하게 활성화되는 경우 산소가 불안정한 산화 상태에 놓이게 되고, 이 상태로부터 산소 가스가 발생하는 것으로 알려져 있다. 이에, 본 연구진은 monoclinic 상의 활성도를 정밀한 수준으로 제어함으로써 산소 안정성을 향상시키는 연구적 접근을 채택하고 이를 구현할 효과적인 공학적 전략을 제안했다.
기존 연구가 대체로 무질서 구조를 억제해야 할 특성으로 다룬 것과 달리, 본 연구에서는 단범위에서 장범위에 이르는 무질서 구조를 의도적으로 도입하여 이온 이동성을 향상시키고, 산화/환원 거동을 제어함으로써 에너지밀도와 전이금속 및 산소의 가역성을 동시에 개선하는 전략을 수립하였다. 단범위에서는 결정 단위의 구조 제어를 통해 표면 공공 구조를 도입함으로써 전이금속의 산화/환원 반응을 안정화하고 산소 가스의 형성을 억제했다. 장범위로는, 입자 단위의 구조 제어를 통해 1차 입자의 크기를 조절하고 계면을 최적화하여 표면 산소의 반응성을 정밀하게 제어했다. 이를 바탕으로 무질서 구조 도입 방법 및 물성 제어 사이의 상관관계에 집중하여 무질서-구조-특성 관계를 재정립하였다. 해당 연구들을 통해 LMR 소재 내 monoclinic 상의 활성도를 최적화함으로써 산소의 가역적 산화/환원과 높은 에너지밀도를 동시에 달성할 수 있는 disorder engineering 기반의 소재 설계 가이드라인을 제시하였다.
