[양극 연구] 고에너지화를 향한 배터리 시장의 요구가 커지면서, 높은 용량을 제공하는 하이니켈 NCM (LiNixCoyMn1-x-yO2, x > 0.6)이 차세대 양극재로 주목받고 있다. 높은 니켈 비율은 기존 리튬이온전지가 제공할 수 있는 한계를 넘어서는 고용량 특성을 가능하게 하며, 이로 인해 전고체 전지용 양극재 후보로도 널리 연구되고 있다. 그러나 이러한 이점에도 불구하고, 계면 불안정성과 수명 저하라는 본질적 한계가 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있다. 이에 서울대 홍성현 교수 연구팀은 한국전자기술연구원과의 협업을 통해 니켈 조성 80%의 하이니켈 NCM 양극재에 대한 Al2O3 원자층 증착 코팅을 통해 상용 리튬 이온 이차전지뿐 아니라 황화물계 고체 전해질을 이용한 전고체 전지 모두에서 우수한 성능을 보이는 고성능 양극재를 개발하였다. 연구팀은 수 nm 두께의 균일한 코팅을 가능케 하는 원자층 증착법을 이용하여 하이니켈 NCM 양극재 입자 표면에 약 0.9 nm 두께의 균일한 비정질 Al2O3 코팅을 형성함으로써 리튬 이온의 이동성을 저해하지 않으면서도 리튬 이온 이차 전지, 특히 전고체 전지의 작동 과정 중 양극재 – 전해질 간 계면 안정성을 제고하여 전지 성능을 저하시키는 암염 구조 형성을 효과적으로 억제했다. 이를 통해 우수한 사이클 수명과 율속 특성, 그리고 고온 안정성의 특성을 동시에 확보한 고성능 양극재를 보고했다. 본 연구는 하이니켈 NCM 양극재를 활용한 고에너지밀도 전고체 전지 개발에 비전을 제시할 것으로 생각된다.
[음극 연구] 현재 리튬 이온 이차전지의 주력 음극재로는 흑연과 같은 탄소 기반 소재가 널리 사용되고 있다. 이러한 소재는 우수한 수명과 안정성을 제공하지만, 이론 용량이 372 mAh g−1에 머무르기 때문에 고에너지화를 위한 관점에서는 용량적 한계가 존재한다. 이에 따라 더 높은 이론 용량을 갖는 전이금속 칼코겐화물이 차세대 음극재 후보로 활발히 연구되고 있다. 이러한 연구 흐름 속에서 서울대학교 홍성현 교수 연구팀에서는 기상 인황화법 및 기계적 밀링의 실험적 기법을 함께 적용하여 고성능 아연 인황화물 음극재를 개발하였다. 연구팀은 기상 인황화법을 이용해 직경 십 수 μm의 층상 아연 인황화물을 합성한 후, 다중벽 탄소나노튜브와의 기계적 밀링을 통해 입경을 수백 nm 수준으로 축소함과 동시에 입자 표면에 약 5 nm 두께의 균일한 흑연질 탄소 코팅층을 형성했다. 이를 통해 전도성을 확보함과 동시에 전환 반응형 음극재의 단점인 활물질의 부피 팽창과 응집 현상을 완화함으로써 세계 최고 수준의 율속 특성과 함께 우수한 수명 특성을 지니는 차세대 음극재를 개발했다. 본 연구는 리튬 이온 이차전지용 차세대 음극재로써 층상 아연 인황화물의 가능성을 제시할 뿐 아니라 별도의 열처리 혹은 금속 촉매 없이 적용 가능한 간단한 흑연질 탄소 코팅 공정을 제안함으로써 향후 음극재 개발에 유효한 방향성을 제시한다.
