본 연구는 전기자동차용 리튬이온이차전지(LIB)에서 활용되는 고니켈(≥80%) 층상구조 양극소재(NCM811 계열 등)의 구조적 불안정성과 수명 저하 문제를 해결하기 위해, 열반응성 금속-유기 구조체(MOF: Metal-Organic Framework) 기반의 새로운 제어 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 기존 고니켈 양극산화물은 높은 용량과 에너지밀도를 제공하지만, 표면 불안정성 및 열적 안정성 부족으로 인해 전지의 안전성과 신뢰성 확보가 어렵다는 한계가 존재한다. 이를 극복하기 위해, 1차년도에는 열반응성 금속-유기 구조체의 핵심 조성 설계 및 제조 공정을 확립하고, 2차년도에는 이를 고니켈 층상구조 양극산화물 입자 표면에 균일하게 코팅하거나 복합화하는 기술을 개발하였다. 이를 통해 결정구조 안정화와 입자기공 제어를 달성하고, SEM, STEM, HR-TEM, BET 분석 및 충·방전 시험을 통해 성능 향상 원리를 규명하였다. 3차년도에는 개발된 소재를 기반으로 Full cell(흑연 음극 조합) 제작 및 신뢰성 평가를 수행하여, 300회 충·방전 후 80% 이상의 용량 유지율을 목표로 한 장기 수명 및 열적 안전성을 검증하였다. 본 연구를 통해 도출된 기술은 고니켈 층상구조 양극산화물의 국산화 및 경쟁력 강화에 기여할 뿐만 아니라, LiNi₀.₈Co₀.₁₅Al₀.₀₅O₂(NCA), OLO(xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂) 등 다양한 고성능 층상구조 양극소재에도 확대 적용이 가능하다. 따라서, 본 연구성과는 국내 배터리 소재 산업의 글로벌 경쟁력 제고와 더불어, 전기자동차용 고에너지밀도 리튬이온전지의 안전성·신뢰성 확보를 위한 핵심 기반 기술로 활용될 것으로 기대된다.

한림대학교

2019년 5월 - 2022년 1월