국립 부경대학교

리튬이온전지 양극소재 성능 높이는 새로운 도핑법 제시 ‘주목’

- 부경대 오필건 교수팀…국제학술지 <Advanced Energy Materials> 논문 게재

△오필건 교수(왼쪽)와 최재홍 연구교수.

차세대 이차전지인 리튬이온전지의 양극소재의 성능을 높일 수 있는 새로운 도핑(doping)법이 제시돼 주목받고 있다.

국립부경대학교는 나노융합공학과 오필건 교수, 최재홍 연구교수팀이 UNIST 조재필 교수와 공동으로 진행한 리튬이온전지 양극소재의 안정화를 위한 새로운 도핑법 연구가 최근 국제 저명 학술지 <Advanced Energy Materials>(IF=29.698)에 게재됐다고 밝혔다.

연구팀은 이번 연구에서 기존 리튬이온전지의 양극 소재보다 높은 에너지 밀도를 갖는 ‘코발트-리치(Co-rich)계 layered’ 양극 소재의 상용화 수준과 안정성을 확보하기 위한 도핑법을 제시해 관심을 모았다. 도핑이란 결정의 물성을 변화시키기 위해 소량의 불순물을 첨가하는 공정이다.

연구팀은 ‘코발트-리치계 layered’ 양극 소재에 나트륨(Na)을 도핑하고, 4.5볼트(V) 이상의 높은 구동 조건에서 높은 비용량(Specific capacity)과 우수한 안정성을 보이는 소재를 디자인했다.

이를 위해 연구팀은 기존의 최적화를 통한 단순한 도핑 합성 조건을 찾는 것이 아닌, 철(Fe) 이온을 부분적으로 코발트(Co) 이온 자리에 치환해 나트륨(Na) 이온의 도핑을 돕는 새로운 2차 도핑(secondary doping) 방법을 제시했다.

오필건 교수는 “이번에 개발한 새로운 도핑법은 새로운 도핑원소들의 안정적인 원소 치환을 가능하게 해 기존 양극소재의 성능은 물론 니켈(Ni)계소재, 올리빈소재 등 새로운 소재의 성능 구현을 가능하게 해줄 수 있다.”라며, “현재 진행 중인 양극 direct recycle 연구와 접목하면 상용 흑연 음극으로도 80% 이하로 저렴하고 30% 이상 개선된 에너지를 갖는 전지 개발이 가능하다.”라고 밝혔다.

한편 연구팀은 2020년 선정된 연구재단 기초연구실사업과 2022년 시작된 한국에너지기술평가원의 저탄소자원 순환을 위한 폐양극 업사이클링 재제조 혁신 기술 개발 과제의 지원을 받아 이번 연구를 수행했다. <부경투데이>

△ 코발트-리치(Co-rich)계 layered’ 양극소재 도핑 공정 이미지.

Received attention for suggesting a completely new doping method that enhances the performance of cathode materials for lithium-ion batteries

- A research team led by Prof. Oh Pil-Gun from PKNU published a paper in the international journal <Advanced Energy Materials>

A new doping method that can improve the performance of the cathode material of next-generation secondary batteries, lithium-ion batteries, has been proposed and is attracting attention from the academic world.

Pukyong National University announced that research on the new ion substitution method to enhance the electrochemical reversibility of Co-rich layered materials for Li-ion batteries, conducted jointly by Professor Oh Pil-Gun and Research Professor Choi Jae-Hong from the Department of Nanotechnology Engineering and Professor Jo Jae-Pil from UNIST, was recently published in the internationally renowned journal <Advanced Energy Materials> (IF=29.698).

In this study, the research team drew attention from academia by presenting a doping method to secure the commercialization level and stability of the ‘Co-rich layered’ material, which has a higher energy density than cathode materials for conventional lithium-ion batteries. Doping is a process of adding a small number of impurities to change the physical properties of a crystal.

The research team doped sodium (Na) on the ‘cobalt-rich layered’ material and designed a material that shows a high specific capacity and excellent stability under high operating conditions of 4.5 volts (V) or higher.

Rather than finding conditions that allow the synthesis of existing simple doping through optimization, the research team has developed a new secondary doping method that helps sodium (Na) ions to be doped by partially substituting iron (Fe) ions for cobalt (Co) ions.

Professor Oh Pil-Gun said, “I think that the new doping method we developed this time enables stable elemental substitution of new doping elements, so it can enable the performance of new materials such as nickel (Ni)-based materials and olivine materials as well as the performance of existing cathode materials,” he added, “If this can be applied to the current research on anode direct recycling, it is possible to develop a battery that is less than 80% cheaper and has more than 30% improved energy even with a commercial graphite anode.”

As for the research, the research team carried it out with the support of the National Research Foundation’s basic laboratory project selected in 2020 and the Korea Institute of Energy Technology evaluation and planning’s waste anode upcycling remanufacturing for circulation of low-carbon resources project for low-carbon resource circulation that started in 2022. <Pukyong Today>