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이진혁(8기) Nature 제1저자 논문 발표

현재 MIT 원자핵공학과에 박사후 연구원으로 재직중인 8기 이진혁 장학생이
기존의 리튬이차전지 양극소재보다 두배 이상 저렴하며 충전용량 역시 두배가량
큰 친환경 양극재료를 개발함으로써, 네이처지(Nature)에 “Reversible Mn2+/Mn4+
double redox in lithium-excess cathode materials” 라는 제목의 제1저자 및
공동 교신저자 논문을 2018년 4월 11일자 저널에 발표하였다.

다양한 전자기기와 전기자동차의 심장을 담당하고 있는 리튬 이차전지는 리튬이온과 전자가 두개의 전극 물질
(양극, 음극) 사이를 왕복하며 작동한다. 리튬이온은 배터리 내부에서 두 전극 사이를 왕복하고, 전자는
외부 전선을 통해 흐름으로써 휴대전화, 컴퓨터 등에 전력을 제공한다. 따라서 연구자들은 리튬이온과
전자를 효율적으로 저장 및 방출 할 수 있는 전극 물질을 개발하기 위해 다양한 시도를 해왔다.
특히 양극재 연구가 가장 다양하고 진행되고 있는데, 이는 양극재료가 리튬전지의 성능 및 가격에 가장
큰 영향을 주기 때문이다. 리튬 이차전지의 재료가격에서 40% 가량이 양극재료로 부터. 나머지 60%가
음극, 전해질, 전지막, 전류 컬렉터 등으로 부터 나오는 것을 고려하면, 양극재료가 배터리 가격에 얼마나
큰 영향을 미치는 지 알 수 있다. 이렇게 양극재료가 비싼 이유는 간단하다. 양극재료가 전자를 저장/방출
하기 위해서는 전이금속이 필 요한데, 현재 전이금속으로써 값비싸고 희귀한 코발트 (Co) 및 니켈 (Ni)이
주로 사용되기 때문이다. 특히 코발트의 경우 현재 이런 특수한 지위에 따라 리튬과 함께 제2의 석유라
평가 받는 매우 중요한 자원인데, 지리적으로 콩고와 같이 매우 한정된 나라에 매장되어 있어서, 수요공급
및 국가간 정세에 따라 아주 크게 가격이 변동한다.

이진혁 장학생은 이런 자원불균형의 해결 및 리튬이온전지의 성능개선을 위해, 망간 (Mn) 계열 양극소재에
초점을 맞췄다. 망간은 코발트, 니켈과는 달리 저렴하고 친환경적이며 매장량 또한 풍부한 전이금속이다.
따라서 망간을 포함한 양극소재 개발은 기존에도 시도되었다. 하지만 기존의 양극재료에서의 망간은 배터리
충방전에 필요한 전자의 저장 및 방출에 매우 제한적으로 참여할 수 있어서, 망간을 사용한 고용량 양극소재
개발에 큰 한계가 있었다. 그러나 이진혁 장학생은 이번 연구를 통해, 기존의 산화물 (oxide) 이 아닌 불산화물
(oxyfluoride) 에서 망간이 전자 저장 및 방출에 매우 적극적으로 참여할 수 있음을 밝혔으며, 이를 이용하여
세계 최초로 300 mAh/g 이상의 초고용량 망간 불산화물 양극소재들을 소개하였다. 기존의 양극소재가
170 mAh/g 정도의 용량을 가지고 있음을 고려할 때 매우 큰 용량 향상이며, 비싸고 한정된 자원인 코발트,
니켈 대신 값싸고 풍부한 자원인 망간을 사용했다는 점에서 더욱 큰 의미가 있는 결과이다. 현재 코발트-free
양극재료가 세계적으로 주목받고 있다. 이진혁 장학생의 이번 연구는 이런 Co-free 양극재 연구의 새로운
길을 제시하여, 리튬이온배터리 발전에 중요한 기틀을 마련하였다.

이진혁 장학생 논문 보기 : https://www.nature.com/articles/s41586-018-0015-4

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