한양대학교 신소재공학부 임원빈 교수 연구팀이 고온에서 합성할 수 있었던 리튬이온 배터리 음극재를 수증기를 이용하여 낮은 온도에서 합성할 수 있는 기술을 개발했다.

음극재는 배터리 핵심 소재중 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 온도로 인해 많은 에너지 소비가 필요하고, 고온 열처리 공정으로 인해서 소재의 형상제어가 어려운 단점이 있다. 또한 액상 합성의 경우 형상제어가 가능하나 많은 양의 용매 (증류수, 유기용매)가 사용되는 단점이 있다.

임원빈 교수 연구팀이 개발한 초미세 액상반응(sub-micro droplet reactor)을 통한 고상 합성법은 고상 원료에 수증기(vapor water)를 분사한 후 80도의 온도에서 표면에서부터 내부까지의 상합성을 유도하여 균일한 입자 크기와 형상의 음극재를 제조했다. 특히, 나노미터 크기에 수증기 내부에서 소재합성 반응이 일어나게 하여, 소재의 크기와 형상을 쉽게 제어할 수 있는 것이 특징이다. 기존의 합성방법은 고온 조건과 유독한 유기용매와 고가의 재료를 사용하기 때문에 환경오염과 높은 에너지 소모 문제가 있었다. 하지만, 새로운 합성법은 유독한 용매 대신 수증기를 매우 적은 양으로 낮은 온도에서 재료합성이 가능하여 친환경적이고 경제적인 합성 방법이다.

이번 연구에서는 초미세 액상반응법을 통해 Ca(칼슘)이 도핑(doping)된 Li3VO4 음극재를 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 543 mAh⸳g-1의 용량을 얻을 수 있었다. 

임원빈 교수는 “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”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 5월 26일자로 게재됐다. 논문 제목은 ‘Sub-micro droplet reactors for green synthesis of Li3VO4 anode materials in lithium ion batteries (초미세 액상 반응을 이용한 리튬이온 배터리 Li3VO4 음극재)’ 이다.

본 연구는 한국연구재단의 4단계 두뇌한국21(BK21)사업, 중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업(ERC)의 지원으로 수행되었다.