에너지과학과 대학원 이원태(지도교수 윤원섭) 석-박사통합 과정생의 논문이 소재과학(material sciences) 분야 세계 최고 권위 학술지'Advanced Energy Materials'에 온라인으로 지난 10월 04일(수)에 게재되었고, 레이만스 초록 (Layman's abstract)을 통해 일반인에게도 공개되는 최상위 논문으로 평가되었다.

차세대(Next-generation) 전기 자동차의 강력한 심장이 될 리튬 이차전지 양극소재의 대표적인 물질로 거론되는 고(高) 함량 니켈계 층상구조는 니켈 함량이 증가할수록 용량은 증가하지만 결정구조 내에 양이온 무질서도(Cation disorder) 증가 및 소재 수명 열화라는 악영향을 미치는 것으로 알려져 소재 개발에서 니켈 함량에 대한 딜레마에 놓여 있었다. 현재까지는 다른 원소를 도핑(doping) 하거나 표면 개질로 고(高) 함량 니켈 양극소재를 안정화시키는 방향으로 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 니켈 원소가 소재의 결정구조 및 성능에 미치는 근본적인 역할에 대한 규명이 명확하게 이루어지지 않은 상태에 머물고 있었다.

이에 이원태 대학원생은 니켈의 함량을 일정하게 증가시키며 그에 따라 변화하는 층상구조 산화물의 결정구조 변화에 관한 체계적인 연구를 통하여, 기존 고(高)함량 니켈계 층상구조 소재에 대해 알려져 있던 내용에 반직관적인(counter-intuitive) 결과들을 발견했다. 이를 바탕으로 고(高)함량 니켈계 층상구조의 우수한 전기화학적 성능을 설명하며 그간 층상구조에서 니켈 원소가 미치는 부정적인 영향에 대한 오해(misconception)를 규명했다. 이러한 층상구조 양극소재에서 니켈 원소에 대한 새로운 이해는 차세대 배터리 디자인을 가능하게 할 것이며 장거리 주행 전기차의 개화기를 앞당길 것으로 예측한다.

더 나아가, 본 연구에서는 층상구조에서 리튬 이온 채널 c축이 붕괴되더라도 리튬 이온이 결정 구조 내에서 이동할 수 있는 환경을 유지한다는 사실을 발견했다. 이 결과는 그간 층상구조 양극소재에서 리튬 이온의 거동 및 그와 관련된 전기화학적 성능을 이해하는 데에 핵심 요소(key factor)로 여기던 c 축에 한정되어 있던 시야를 넓히고 결정구조의 거동과 소재의 성능을 이해하는데 새로운 통찰을 제공할 것으로 기대한다.