-철을 20% 함유하는 산화물을 이용하여 기존 양극재료에 가까운 방전전압을 실현-
차량 탑재용 리튬이온 이차전지의 보급은 안전성 확보는 물론 고성능화와 저비용화가 요구된다. 특히 저비용화를 위해서는 양극, 음극, 전해질 등의 재료를 보다 저가의 것으로 대체할 필요가 있으며, 그 중에서도 리튬 천이금속산화물인 양극재료의 경우 희소금속인 코발트가 사용되고 있어 전지의 구성재료 중에서도 가장 고가의 재료 중 하나이다.
따라서, 현행의 리튬이온 이차전지에 대한 성능 저하를 억제하면서 원재료(산화물) 가격환산으로 코발트의 약 1/10 정도의 철, 약 1/8 정도의 망간, 약 1/4 정도의 티타늄 등 상대적으로 저가이며, 자원적으로 풍부한 금속원소로 이루어진 양극재료로의 대체가 요구되고 있다. 그럼에도 불구하고 저가이며 고성능의 대체 양극재료로서 최적인 재료는 발견하지 못하여 이와 관련된 기술개발이 강하게 요구되고 있다.
일본 산업기술종합연구소 유비쿼터스 에너지연구부 축전디바이스연구그룹 타부치(田?) 주임연구원, 타케우찌(竹?) 주임연구원, 선진제조프로세스연구부 결정기능제어연구그룹 아키모토(秋本) 연구그룹장과 주식회사 타나카화학연구소(田中化??究所) 연구개발부 해석팀 이마이즈미(今泉) 팀리더는 공동으로 산화물 중 전(全) 천이금속물의 20%로 자원적으로 풍부한 저가의 철을 이용한 2종류의 리튬이온 이차전지용으로 코발트를 포함하지 않는 신규 산화물 양극재료(Li1+x(Fe0.2Ni0.4Mn0.4)1-xO2와 Li1+x(Fe0.2Ni0.2Mn0.6)1-xO2)를 개발하였다.
이 재료들은 희소금속인 코발트를 포함하지 않으며, 철을 많이 포함하고 있음에도 불구하고 방전전압은 3.5-3.7V로 이전에 산업기술종합연구소가 개발한 산화물 양극재료(Li1+x(Fe0.5Mn0.5)1-xO2, 방전전압 3.0V)보다 대폭으로 개선된 기존의 양극재료인 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 및 LiNi1/2Mn1/2O2의 방전전압 4.0V에 가깝다. 지금까지 자원량과 가격면에서 유리하였으나, 산화물 양극재료로서 도입이 곤란했던 철을 활용할 수 있으며, 전기자동차, 하이브리드차 등의 전기차량용 리튬이온 이차전지의 자원절약화, 저비용화로 이어질 것을 기대한다.
이번에 개발된 양극재료는 산업기술종합연구소가 과거에 개발한 철, 망간, 티타늄만의 3V급 양극재료(종래개발품)보다도 방전전압이 0.5V이상 높아 기존 양극에 가깝다. 한편으로 니켈을 포함한 경우 저비용화의 저해요인이 되나, 기존 양극에 비하여 니켈량은 같은 양의 코발트를 포함하지 않고, 자원적으로 가장 풍부하며 저가인 철을 포함하기 때문에 기존 양극의 대체재료가 될 가능성이 높다. 4V급 기존 양극으로부터 이번 개발한 3.5-3.7V급으로 대체함으로써 양극재료의 저비용화, 자원절약화를 도모하며, 종래 개발품과 비교하여 철을 포함하는 산화물 양극의 조기 실용화를 기대할 수 있다.
앞으로 안정된 시료제작 수행하여 2010년 빠른 시기에 전지메이커 등 산업계로 샘플제공 할 수 있도록 하고자 한다. 또한, 철 함유량이 많은 시료에서도 양호한 충방전 특성을 얻을 수 있도록 산화물의 조성과 제작조건의 연구개발을 계속하고자 한다.
(그림 1) 이번에 개발된 양극재료(적, 청)과 이전에 개발한 양극재료(흑)의 5V 충전 후의 초기 방전곡선
(그림 2) 이번에 개발된 양국재료의 초기방전 평균전압과 전(全) 천이금속량에서 차지하는 철, 망간 및 티타늄량 비율의 관계와 2가지 종류의 기존 양극재료와 종래 산업기술종합연구소가 개발한 3가지 종류의 양극재료와의 비교.
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