기자는 17일 중국과학원으로부터 중국 연구진이 차세대 리튬전지 연구에서 획기적인 진전을 이뤘다는 소식을 접했다. 그들은 리튬이 풍부한 망간 기반 양극 물질이 가열되면 자동으로 수축한다는 것을 발견했습니다. 이러한 특성은 실제로 노화된 배터리가 전압을 복원하고 오래된 배터리를 "재생"시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
이번 발견은 물질의 작동 메커니즘을 밝힐 뿐만 아니라, 내구성과 자가 수리가 가능한 차세대 리튬 배터리 개발에 새로운 방향을 제시합니다. 관련 연구 결과는 네이처(Nature) 저널에 온라인 게재됐다.
전이 금속과 산소 활성 중심 사이의 관계와 재료의 열팽창에 대한 개략도. 사진 제공: 중국과학원 닝보재료기술공정연구소
전기차와 전기항공기의 '주행거리 불안'을 해결하려면 차세대 고에너지 리튬배터리 기술 개발이 필요하다. 과학자들은 리튬이 풍부한 망간 기반 양극재에 중점을 두었습니다. 이를 이용해 만든 배터리는 기존 배터리 대비 전력 저장 용량을 30% 늘릴 수 있어 연료탱크 용량을 직접적으로 30% 늘리는 것과 같다. 또한 망간은 코발트나 니켈에 비해 가격이 저렴해 강함과 가격을 모두 갖춘 '육각형 전사'라 할 수 있다.
리튬이 풍부한 망간 기반 양극재는 산소 활성 양극재로서 매우 높은 방전 비용량을 가지고 있지만 실제 사용에서는 여전히 심각한 문제를 안고 있습니다. 여러 번의 충전 및 방전 후에 리튬이 풍부한 망간 기반 배터리의 전압이 점차 감소하고 노화가 발생합니다. "이것은 리튬이 풍부한 망간 기반 배터리를 실제 응용 분야에 사용하는 것을 여전히 어렵게 만듭니다. 따라서 이 리튬이 풍부한 망간 기반 배터리의 높은 에너지 밀도와 장기간 안정적인 작동을 유지하는 방법은 과학자들이 해결해야 할 시급한 문제가 되었습니다." 논문의 공동 교신저자이자 중국과학원 닝보 재료기술공학연구소 연구원인 Liu Zhaoping은 이렇게 말했습니다.
이번 연구에서 연구진은 리튬이 풍부한 망간 기반 양극재의 흥미로운 특성을 밝혀냈습니다. 즉, 가열되면 수축한다는 것입니다. 적절한 가열은 재료를 무질서한 상태에서 보다 안정되고 에너지가 낮은 질서 있는 구조로 복원할 수 있으며, 이로 인해 배터리의 크기가 줄어들고 "열수축" 특성을 나타냅니다. "이를 바탕으로 우리는 전기화학적 수단을 통해 노후화된 리튬이 풍부한 망간 기반 배터리의 '역성장'을 달성하는 새로운 방법을 찾았습니다." 류자오핑(Liu Zhaoping)이 말했다.
Nature 저널의 평론가들은 이러한 성과를 높이 평가했습니다. 연구진은 리튬이 풍부한 망간 기반 양극재의 구조가 온도나 전기화학에 의해 무질서한 상태에서 규칙적인 상태로 바뀔 수 있다는 사실을 처음으로 발견했다고 말했다. 이번 발견은 기존 전극 재료의 구조 변형에 대한 이론적 틀을 깨고 전극 재료의 구조-성능 관계를 이해하기 위한 새로운 연구 방향을 열었습니다.