수학적 프레임워크, 우수한 배터리를 위한 고니켈 양극 개선

수학적 프레임워크, 우수한 배터리를 위한 고니켈 양극 개선

Maria Guerra . July 18, 2025

새로운 수학적 프레임워크를 통해 고니켈 양극에서 유연한 그래디언트 설계가 가능해져 리튬 이온 배터리의 성능, 안정성, 사이클 수명이 향상됩니다.

 

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[ 연구팀은 고급 리튬 이온 배터리용 고니켈 양극에서 고도로 맞춤화된 완전 농도 구배(FCG)를 설계하고 구체화하기 위한 다재다능한 수학적 프레임워크를 개발했습니다. 부산대학교 유현덕 교수 제공 ]

 

수학적 프레임워크, 우수한 배터리를 위한 고니켈 양극 개선

Maria Guerra . July 18, 2025

새로운 수학적 프레임워크를 통해 고니켈 양극에서 유연한 그래디언트 설계가 가능해져 리튬 이온 배터리의 성능, 안정성, 사이클 수명이 향상됩니다.

 

재생 에너지와 전기 자동차로의 전 세계적 전환은 리튬 이온 배터리 (LIB) 수요 급증을 촉진했습니다 . 

 

리튬 이온 배터리에서 양극재는 성능과 비용 측면에서 중요한 역할을 하며, 전체 배터리 비용의 40~45%를 차지합니다. 고니켈 양극재는 높은 에너지 밀도와 비용 효율성으로 특히 유망합니다. 그러나 니켈 함량 증가는 부반응을 악화시켜 계면 안정성과 기계적 무결성을 저해하고, 이는 확장성을 제한합니다.

 

이러한 과제를 해결하기 위해 연구진은 완전 농도 구배(FCG) 및 코어-셸 구조를 연구해 왔습니다. 이러한 구조는 코어에서 표면까지의 니켈 농도를 감소시켜 코발트와 망간과 같은 안정한 원소로 대체함으로써 표면 안정성과 기계적 강도를 향상시킵니다. 하지만 기존 제조 방식은 평균 조성이 설정되면 농도 구배의 기울기와 곡률이 제한되기 때문에 유연성이 부족합니다.

 

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FCG 음극 설계의 획기적인 발전

 

부산대학교 유현덕 부교수가 이끄는 국제 연구팀은 완전히 유연한 FCG 설계를 위한 새로운 수학적 x-프레임워크를 개발했습니다. 유 박사는 "한 매개변수를 조정하면 다른 매개변수에 영향을 미치는 기존 방식과 달리, 본 연구는 평균 조성, 기울기, 곡률 등 여러 설명변수를 독립적이고 정밀하게 제어할 수 있습니다."라고 설명했습니다. ACS Energy Letters 에 게재된 이 연구는 FCG 양극 합성에 혁명을 일으켰습니다.

 

전통적으로 FCG 양극은 금속 전구체 용액이 담긴 두 개의 탱크를 사용하는 공침법을 사용하여 합성됩니다. 니켈이 풍부한 첫 번째 탱크는 반응기에 공급되고, 코발트와 망간이 포함된 두 번째 탱크는 시간이 지남에 따라 니켈 농도를 감소시킵니다. 

 

기존 시스템에서는 두 번째 탱크의 유량이 고정되어 있어 기울기 조절의 유연성이 제한적입니다. 연구진은 유량을 시간에 따른 수학적 함수로 표현하여 조성, 기울기, 곡률을 독립적으로 조정할 수 있도록 함으로써 이 문제를 해결했습니다. 이 혁신은 두 개의 탱크만으로 사실상 무한한 기울기 설계를 가능하게 합니다.

 

[ 제안된 접근법은 고니켈 양극에서 전체 농도 구배의 평균 조성, 기울기, 곡률을 정밀하고 독립적으로 제어할 수 있게 하여, 향상된 성능, 안정성, 그리고 안전성을 가진 리튬 이온 배터리를 구현할 수 있습니다. 부산대학교 유현덕 교수 제공 ]

 

협업 및 결과

 

연구팀은 미세하게 조정된 기울기를 갖는 5개의 FCG Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2 전구체를 합성했으며, 이는 고급 2D 및 3D 원소 매핑을 통해 검증되었습니다. 유 박사는 "일리노이 대학교 시카고 캠퍼스와 아르곤 국립연구소를 포함한 주요 연구실들과 협력했습니다."라고 밝혔습니다. 그 결과, 양극재는 탁월한 기계적 및 구조적 안정성, 향상된 리튬 이온 전달, 그리고 최소한의 입자 균열을 보였습니다. 특히, 최적화된 F CG 양극재는 300회 사이클 후에도 초기 용량의 93.6%를 유지했으며, 이는 유사한 조성에서 보고된 최고치입니다.

 

유 박사는 "이번 연구는 리튬 이온 배터리(LIB)의 안전성과 성능을 혁신하여 더욱 안전한 전자 장치, 신뢰할 수 있는 전기 자동차, 그리고 더 광범위한 재생 에너지 도입을 가능하게 할 것입니다."라고 결론지었습니다. 본 연구는 한국연구재단의 SUPER 센터 사업의 지원을 받았습니다.

 

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