성능 저하 원인인 ‘회전 적층 결함’ 규명 및 이를 조절하는 설계 방향 제시
서울대학교 재료공학부 강기석 교수 연구팀(음동건, 박성오, 장호영 연구원)은 층상계 양극 소재 내에 존재하는 ‘회전 적층 결함(Rotational Stacking Fault)’의 존재와 역할을 세계 최초로 규명하고, 이를 조절하는 방법을 제시하는 데 성공했다.
최근 전기차 배터리 시장에서는 니켈과 코발트의 수급 불안정과 가격 폭등 문제로 인해, 비교적 저렴한 망간을 주원료로 사용하는 ‘리튬/망간 과잉 양극 소재’가 주목받고 있다. 이 소재는 기존 전이 금속뿐만 아니라 산소의 산화-환원 반응까지 활용하여 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 구동 과정에서 산소 가스가 발생하거나 전압 및 용량이 급격히 저하되는 등 전기화학적 불안정성이 높아 상용화에 큰 걸림돌이 되어 왔다.
연구팀은 지난 2020년 독자적으로 개발한 ‘O2 적층형 리튬/망간 과잉 양극재’를 심층 분석하여, 기존 층상형 양극 소재의 고질적인 열화 원인인 ‘입자 내 균열(Intragranular Crack)’이 소재 내부의 구조적 결함인 ‘회전 적층 결함’에서 비롯된다는 사실을 밝혀냈다. 시뮬레이션과 실험 결과, 충·방전 과정에서 이 결함 부위를 기점으로 응력이 집중되어 입자 내부에 균열을 초래하는 메커니즘이 확인되었다. 나아가 연구팀은 합성 온도를 조절함으로써 회전 적층 결함의 생성 정도를 제어할 수 있으며, 이를 통해 배터리의 기계적·전기화학적 성능을 획기적으로 향상할 수 있음을 입증했다.
강기석 교수는 “이번 연구는 산소의 전기화학적 반응과 물질의 미시 기계적 거동 사이의 긴밀한 관계를 명확히 했다는 점에서 의의가 크다”며, “향후 새로운 양극 소재를 설계하는 데 있어 필수적인 디자인 룰(Design Rule)을 제시했다”고 강조했다. 한편, 이러한 연구 성과는 그 학술적 중요성을 인정받아 자연과학 분야의 세계적 권위지인 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 게재되었다.
논문: “Electrochemomechanical failure in layered oxide cathodes caused by rotational stacking faults”, Nature Materials, 23, 1093–1099 (2024)
DOI: 10.1038/s41563-024-01899-9
