- 구조 무질서 활용 양극 소재의 전기화학 반응 최적화 방안 제시

 ▲금속 산화물 양극소재 내 다양한 구조 무질서와 이를 통한 전기화학 반응 최적화

그림 설명 : 본 논문에서 정리하였던 다양한 사례에서 나타난 양극 소재의 전기화학 변화에 영향을 끼친 다양한 구조 무질서를 나타낸 그림입니다. 해당 그림은 이번 연구 성과를 통해 새로 제시하고자 하는 구조 무질서 조절을 통한 양극 소재의 전기화학 반응 최적화를 단적으로 나타내고 있습니다. 그림설명 및 그림제공 : 고려대학교 이수원 (대학원생) (출처=한국연구재단)

배터리 성능 혁신을 위한 새로운 방법론이 제시됐다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 강용묵 교수(고려대학교) 연구팀이 구조 무질서(결정학으로 정의된 이상적인 결정구조에서 벗어난 모든 구조를 의미함)를 통해 알칼리 이온 배터리 양극 소재의 전기화학 반응을 최적화함으로써 배터리 성능을 높이는 새로운 연구 전략을 제시했다고 밝혔다. 

기존의 양극 소재 연구는 구조 무질서를 결함으로 치부하고 억제하려는 경향이 많았다. 그러나 이를 기반으로 한 양극 소재의 성능 개선은 이미 한계에 봉착해 돌파구가 필요한 상황이다.

최근 양극 소재의 합성 과정 및 전기화학 반응이 진행되는 동안 형성되는 다양한 구조 무질서가 배터리 성능을 좌우하는 전기화학 반응의 개선과 밀접한 관련이 있다는 결과가 보고되고 있다. 

그러나 구조 무질서의 원인 및 전기화학 반응에 미치는 구체적인 영향에 대한 연구가 절대적으로 부족한 상황에서 현재 봉착해 있는 양극 소재의 성능 한계를 극복하기 위해서는 구조 무질서에 대한 연구가 무엇보다 우선되어야 한다는 게 학계의 중론이다. 

이에 연구팀은 기존 연구 사례에서 도입된 구조 무질서의 형태, 구조 무질서로 인해 향상된 전기화학 반응과 구조 무질서를 유발할 수 있는 6가지 화학적 원인(size effect, electrostatic interactions, super exchange interactions, Jahn-Teller effect, crystal field stabilization energy, oxygen evolution)을 정리했다.

이를 기반으로 구조 무질서가 양극 소재의 전기화학 반응에 영향을 주는 메커니즘을 밝혀냈으며, 이를 통해 양극 소재의 전기화학 반응을 최적화하는 새로운 방법론도 제안했다. 

이번 연구를 통해 구조 무질서를 전기화학 반응을 최적화하기 위한 적극적인 설계 인자로 사용할 수 있게 된다면, 구조 무질서에 대한 선입견에서 벗어나 새로운 연구 기조를 형성하게 되는 것은 물론, 차세대 양극 소재 연구개발에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 

향후 연구 방향에 대해 강용묵 교수는 “구조 무질서와 양극 소재의 전기화학특성 사이에 밀접한 상관관계를 고려하면 다양한 구조 무질서를 유형별로 분류하는 명확한 기준이 필수적”이라며 “이와 함께 특정 구조에서 무질서를 얻기 위한 합성 방법 및 분석법의 개발이 선행되어야 한다”고 설명했다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 및 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학분야 국제학술지 ‘네이쳐리뷰케미스트리(Nature Reviews Chemistry)’에 7월 2일 게재되었다.