리튬이차전지 양극재의 굽힘변형에 따른 성능 열화 인자 규명을 위한 연구

[2025 카모페어]

리튬이온전지는 에너지 전환 효율이 뛰어나며 사이클 성능이 안정적이라는 장점이 있다. 이러한 장점으로 스마트폰, 노트북 등의 소형기기와 더불어 전 기자동차와 같은 중,대형 기기에도 적용되어 왔다. 리튬이온 배터리는 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 나뉘는데, 그중에서도 양극은 리튬이온을 포함하고 있는 물질로 종류에 따라 포함하고 있는 리튬의 양이 다르기 때문에 전지의 용량과 전압을 결정하는 역할을 한다. 이에 따라, 전지가 고전압과 고용량 특 성을 발현할 수 있도록 하는 양극을 개발하는 연구가 많이 진행되어 왔다. 그 러한 연구의 일환으로 양극 소재 개발이 이루어져 왔다. 양극재는 결정 구조 에 따라 스피넬 구조, 올리빈 구조, 층상 구조로 나뉜다. 스피넬 구조의 대표 적 물질인 LiMn2O4는 원가가 저렴하고 우수한 리튬이온 확산 속도를 가진다 는 장점이 있지만 망간 이온이 전해질로 용출된다는 문제가 있다. 올리빈 구 조의 인산화물 LiFePO4는 값싼 원가와 안정성이 높다는 장점이 있으나, 낮은 전자 전도도로 인해 응용이 제한된다. LiCoO2물질로 대표되는 층상 구조 산 화물은 전자전도성과 이온전도성이 높고 우수한 구조적 안정성을 갖는다는 장점이 있다. 하지만, 코발트의 높은 원가로 인해 코발트를 다른 전이 금속으 로 대체하려는 연구들이 진행되었고 그중에서도 니켈, 코발트, 망간의 세 가 지 전이금속을 포함하는 층상 산화물이 우수한 전기화학 특성과 비교적 저렴 한 가격으로 상업적으로 널리 이용되고 있다. 양극 소재 개발 외에도 극의 두 께를 증가시킴으로써 전지의 에너지 밀도를 높이려는 연구 또한 진행 중이다. 하지만, 두께가 증가함에 따라 전극 내부의 리튬 이온 확산 거리 증가로 인해 활물질의 위치에 따른 충전 상태(Stat of Charge, SOC) 불균일이 발생하게 되 고 이에 따라 비용량이 감소한다[1]. 이러한 한계로 인해 현재 상용화 중인 전극의 두께는 100μm 수준이다.

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