[한국기술뉴스] 고려대학교(총장 정진택) 기계공학과 최원준 교수 연구팀(제1저자: 김우성 석사)이 전이금속산화물 기반 바인더 프리 음극 합성 기술을 개발했다. 전열공정(Electrothermal waves)을 이용해 3D 폼 형태의 니켈 집전체 위에 코발트 산화물 나노어레이(nanoarray)를 수 초 이내에 합성했고, 해당 전극은 높은 입자 경계 밀도(grain boundary density)와 적은 산소결손(oxygen vacancies)을 동시에 갖추어 빠른 속도의 전류밀도에서 우수한 전기 용량을 보여주었다.

더 나아가, 연구팀은 전열공정을 통한 전극의 물리 화학적 구조를 다양하게 변화시켜 전지 성능의 메커니즘을 밝혔고, 이를 기반으로 고용량 리튬 이차전지를 위한 새로운 전이금속산화물 디자인 전략을 제시했다. 이번 연구 결과는 국제 저명 학술지 ‘미국화학회 나노(ACS Nano)’ (IF=18.027)에 미국 현지시간 9월 21일 온라인 게재됐다.

최근, 전극 내에 활물질만을 사용하여 제작된 바인더 프리 전극(binder-free electrode)이 리튬 이차전지의 차세대 음극 형태로 떠오르고 있다. 활물질로는 높은 전기 이론용량을 가진 전이금속산화물이 활용되고 있는데, 낮은 전기전도도와 충방전 시 급격한 부피팽창 때문에 물성 개질에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 하지만, 바인더 프리 전극의 특성상 활물질과 집전체가 물리적 접촉되어 있어, 이미 존재하는 합성 공정 방식으로 활물질만의 물리화학적 특성을 독립적으로 제어하는 것은 매우 어렵다.

이에 최원준 교수팀은 기존 공정 방식 대신에, 전열공정을 활용하여 코발트 산화물 니켈 폼 전극을 합성했고, 코발트 산화물의 구조적/화학적 특성을 동시에 조절하는 데에 성공했다. 전열공정이란, 전도성 기판 양단에 전류를 흘려주고, 내부저항에 의한 온도 상승을 유도하여 단 수 초 이내에 물질 합성을 이루는 공정방식이다. 따라서 해당 공정을 이용하면, 전류를 인가하는 파워의 크기와 시간에 따라 다양한 구조적 차이를 이끌어낼 수 있어, 타겟 물질의 다중 최적화가 가능하다. 실제로 연구팀은 다양한 물성분석법을 이용하여, 전열공정으로 합성된 코발트 산화물이 기존 합성 공정(annealing)의 코발트 산화물보다 더 높은 입자 경계 밀도를 가짐과 동시에 훨씬 적은 산소결손의 양을 보인다는 것을 확인했다.

또한, 연구팀은 반복적인 전열공정에 따른 코발트 산화물의 특성 변화를 관찰했고, 추가적인 전열공정 과정에서, 인가된 에너지 중 열전달 및 내부 에너지로 사용되고 남은 에너지가 코발트 산화물의 환원반응과 입자 응집을 일으킨다는 것을 알아냈다. 또한, 전열공정이 반복되더라도 산소결손의 양은 변함없다는 것을 확인함으로서, 전열공정이 전이금속산화물의 구조적 특성과 화학적 특성을 독립적으로 제어할 수 있다는 것을 입증했다. 더 나아가, 연구팀은 해당 활물질의 특성 차이가 전지 성능에 미치는 영향을 관찰했고 이 연구를 통해, 입자 경계 밀도가 높을수록 용량이 크게 향상될 수 있으며, 산소 결손을 최적으로 억제하면 충방전 시 코발트 산화물의 불규칙한 부피팽창을 막아 배터리의 긴 수명을 확보할 수 있다는 사실을 밝혔다. 

최원준 교수 연구팀은 전열공정을 이용해 전이금속산화물기반 바인더 프리 전극의 구조적 화학적 특성을 동시에 최적화했고, 해당 전극의 우수한 전지 성능을 보여줌으로써 실제 타겟 응용 분야의 적용 가능성 또한 보여주었다. 연구팀은 전열공정을 활용한 합성 및 디자인 전략이 전지의 메커니즘을 밝히고 고성능 전극의 다중 최적화를 통해 앞으로 음극 성능의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대하고 있다.