VOL.22/NO.4/Winter 2015 그림 2. 원통형리튬이차전지구조및특징 ( 업계자료 ) 서인가된전압에의해리튬이온형태로탈리되고 (Delithi ation) 전해액을통해분리막을통과하여음극으로이동하게된다. 반대로방전은충전된후자발적으로양극간형성된전압에의해음

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원길 노
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리튬이차전지소재기술동향및전망 안도천 ( 포항가속기연구소빔라인부 ) 서론리튬이차전지는일본소니社에의해서 1991년에최초로상업화된이후현재까지휴대폰, 노트북, 디지털카메라와같은전자기기에서광범위하게사용되고있다. 최근에너지분야의주요이슈는화석연료고갈에따른새로운에너지원의확보와동시에친환경에너지의개발이다.

1 리튬이차전지소재기술동향및전망 안도천 ( 포항가속기연구소빔라인부 ) 서론리튬이차전지는일본소니社에의해서 1991년에최초로상업화된이후현재까지휴대폰, 노트북, 디지털카메라와같은전자기기에서광범위하게사용되고있다. 최근에너지분야의주요이슈는화석연료고갈에따른새로운에너지원의확보와동시에친환경에너지의개발이다. 뿐만아니라, 신재생에너지를효율적으로저장하고활용하기위한저장장치의개발또한매우중요한분야로인식되고있다. 고에너지밀도 / 고출력특성을갖는리튬이차전지는신재생에너지저장시스템과전기차와같은대용량시스템에적용이가능하기때문에전세계적인주목을받고있다. 이를반영하듯이포항가속기연구소에서도지난 10년동안 X-선산란분야 (XRS) 와 X-선흡수분광학 (XAFS) 빔라인을중심으로이차전지관련연구가가장많이수행되었으며, 지속적인증가추세에있다. 본특집에서는최근각광받고있는리튬이차전지의구성및작동원리, 소재기술동향, 그리고방사광가속기를활용한이차전지연구에대해서간단하게소개함으로써이차전지에대한이해를돕고자한다. 리튬이차전지의개요세계에서가장오래된전지는지금부터약 2,000년전의바그다드전지라고알려져있지만, 과학사에기록된최초의전지는볼타 (Volta) 전지다. 그후전극이나전해액의개량이거듭되어 19세기후반에 Gassner 에의해현재와같은건전지의모체가완성되었다. 주로자동차용전지로사용되고있는연축전지는 20세기초에실용화되었으며, 휴대기기의전원으로널리사용되고있는 Ni/Cd전지는전지의완전밀폐화관련개량이진전되어 1950년경에실용화되었다. 한편소형, 경량을만족시키면서에너지밀도가 높으며장기간보관해도견디는고성능리튬일차전지가미 국에서는항공우주, 군사용으로일본에서는민간산업용으 로개발되었고, 모두 1970 년대에실용화되었다. 그후고 에너지밀도인새로운전력에너지저장매체에대한시장의 강한요구와오랜기간동안축적된전지와관련된기술력, 전극및전지주변소재의개발이급속하게진행되면서리 튬일차전지는충방전이가능한리튬이차전지로개발되었 고, 1990 년대에이르러급속하게실용화가진전되었다. 이차전지는충전과방전을반복할수있는에너지저장장 치로서그중에리튬이차전지는충전시리튬이온을제공하 는양극 (Cathode), 리튬이온을저장하는음극 (anode), 양극 과음극에서발생한전자가외부회로를통해일을할수있 도록내부단락을방지하는분리막, 리튬이온이이동할수 있는공간과환경을제공하는전해액으로구성된다. 대표적 으로상용화된시스템의양극활물질은리튬이포함된금속 산화물, 음극활물질은흑연분말로써각각알루미늄과구리 박막에코팅후건조하여전극판을형성한다. 분리막은다 공성고분자필름으로양극과음극의물리적접촉을방지하 는절연체이며, 전해액은리튬염을유기용매에용해시킨용 액이다. 리튬이차전지의작동원리는다음과같다 [ 그림 1]. 충전은양극활물질의결정구조내에위치한리튬이외부에 그림 1. 리튬이차전지의충방전원리 ( 일본산업기술종합연구소, ) 4 방사광과학과기술

VOL.22/NO.4/Winter 2015 그림 2. 원통형리튬이차전지구조및특징 ( 업계자료 2012.3) 서인가된전압에의해리튬이온형태로탈리되고 (Delithi ation) 전해액을통해분리막을통과하여음극으로이동하게된다.

리튬이차전지의가장중요한성능은첫째용량 (Specific Capacity, 전극에얼마나많은리튬을저장할수있는가 ), 둘째출력 (Rate capabi lity, 얼마나빨리전극에서리튬이온을탈리 / 삽입시키고빠 르게이동시킬수있는가 ), 셋째수명 (Cycle Life, 얼마나오랫동안용량을유지하는가 ) 이다.

2 VOL.22/NO.4/Winter 2015 그림 2. 원통형리튬이차전지구조및특징 ( 업계자료 ) 서인가된전압에의해리튬이온형태로탈리되고 (Delithi ation) 전해액을통해분리막을통과하여음극으로이동하게된다. 반대로방전은충전된후자발적으로양극간형성된전압에의해음극에서리튬이온이탈리되어전해질을통해분리막을통과하여양극으로이동하여다시양극활물질결정구조로삽입 (Lithiation) 된다. 이와동시에전자도외부도선으로흐르게되고이것을이용하여일을하게된다. 간단하게말해서양극활물질내리튬이온의활성화능력및음극재료의리튬이온을삽입할수있는충분한공간의존재가전지의성능을좌우한다고볼수있다. 리튬이차전지의가장중요한성능은첫째용량 (Specific Capacity, 전극에얼마나많은리튬을저장할수있는가 ), 둘째출력 (Rate capabi lity, 얼마나빨리전극에서리튬이온을탈리 / 삽입시키고빠 르게이동시킬수있는가 ), 셋째수명 (Cycle Life, 얼마나오랫동안용량을유지하는가 ) 이다. 리튬이차전지는액상형전해질을사용하는일반리튬이온전지와 Gel 또는고체고분자형태의전해질을사용하는리튬폴리머전지로구분된다. 리튬폴리머전지의경우전해질이액상이아닌고분자물질로채워지기때문에발화및폭발위험이기존리튬이온전지대비현저히감소한다고알려져있다. [ 그림 2] 는원통형리튬이차전지의구조및이차전지작동전압과에너지용량비교를보여준다. 리튬이차전지의소재기술동향양극소재양극재는리튬이차전지소재가격중약 44% 를차지하는핵심소재로리튬을포함하는금속화합물의구성성분에따라층상구조의 LCO(LiCoO 2 ), NCM(Li[NiCoMn]O 2 ), NCA (Li[NiCoAl]O 2 ), 그리고 3차원의스피넬 (Spinel) 구조의 LMO(LiMn 2 O 4 ) 와올리빈 (Olivine) 구조의 LFP(LiFePO 4 ) 등으로구분한다. LCO는에너지출력및높은수명특성으로일본의 Sony 사에의해상업화되어초기에가장널리사용되어왔으나, 희귀금속인코발트의높은가격, 안정성그리고환경문제로코발트성분의일부를망간및알루미늄으로대체되는추세이다 [ 그림 3]. NCM 은 LCO 대비코발 그림 3. 리튬이차전지전극소재로사용될수있는원소들을주기율표상에가격및매장량과함께표시하였다. 원소들의색은전극으로이용시리튬과의반응형태에따라구분하여표시하였다 (Naoki et al., Materials Today, 2015) 5

그림 4. 리튬이차전지양극활물질종류및특징 (Argonne National Laboratory, 2011. 10) 트사용량을 1/3 에서 1/7 까지줄여저렴한가격으로양 극재생산이가능하여현재 LCO 를대체하고있다. 미 국의 A123 社가상업화에성공한 LFP 는코발트대신철 을사용하기때문에가장저렴하고안정성이높다는장 점이있다.

최근신재생에너지저장장치시스템 (ESS, Energy Storage System) 및전기차 (EV, Electric Vehicle) 와같은대용량시스템에적용하기위한고용량리튬이차전지수요가급증하고있는상황이며이를위해서는기존양극재보다높은용량을지닌양극물질개발이절실하다 [ 그림 5].

3 그림 4. 리튬이차전지양극활물질종류및특징 (Argonne National Laboratory, ) 트사용량을 1/3 에서 1/7 까지줄여저렴한가격으로양 극재생산이가능하여현재 LCO 를대체하고있다. 미 국의 A123 社가상업화에성공한 LFP 는코발트대신철 을사용하기때문에가장저렴하고안정성이높다는장 점이있다. LMO 는 LCO 대비에너지용량이낮으므로 NCM 과일정한비율로혼합되어전동공구용및전기차 용리튬전지에사용되나, 작동온도가 60 이상으로상 승하면전해액에용해되는구조적불안정성이단점이 다. [ 그림 4] 는리튬이차전지양극활물질종류및특징으로보여준다. 최근신재생에너지저장장치시스템 (ESS, Energy Storage System) 및전기차 (EV, Electric Vehicle) 와같은대용량시스템에적용하기위한고용량리튬이차전지수요가급증하고있는상황이며이를위해서는기존양극재보다높은용량을지닌양극물질개발이절실하다 [ 그림 5]. 2000년도초반에미국의알곤국립연구소 (Argonne National Laboratory) 에서용량이 200 mah/g 이상을보여주는 xli 2 MnO 3 (1-x)Li[NiCoMn]O 2 양극재를제안하여많은각광을받았지만낮은사이클수명및저출력특성으로인해상용화에어려움을겪고있다. 한편리튬이차전지가대용량시스템에적용되기위해서는화재 / 폭발사고로부터안전성확보가가장큰이슈사항이다. 올리빈결정구조를갖는인산화물계 (LiMPO 4, M=Fe, Mn, Co) 전극소재들은일반적으로가장많이이용되고있는층상구조의양극소재보다안정성측면에서매우유리하다는장점이있다. 이물질은 P과 O의결합이강하기때문에고온에서산소가탈리되지않아매우안정한구조를갖는다. 따라서최근이슈가된이차전지의안전문제와장기구동시재료적안정성면에서매우우수한재료이다. 그중리튬망간인산화물 (LiMnPO 4 ) 양극소재는현 그림 5. 리튬이차전지의산업분야별요구사양 ( 좌 ) 에너지저장시스템의개념도 ( 우 ) 6 방사광과학과기술

VOL.22/NO.4/Winter 2015 그림 6. 은나노입자가매립된리튬망간인산화물구조및전극소재내은나노입자의분포 ( 좌 ). 은 (Ag) 나노입자가리튬망간인산화물 (LMP) 사이에매립되어 전도다리 역할을하는구조임을보여주는투과전자현미경사진 ( 그림 a, b) 과은나노입자가전극소재내에서균일하게분포되어있음을보여주는원소분석사진 ( 그림 c, d) 임.

4 VOL.22/NO.4/Winter 2015 그림 6. 은나노입자가매립된리튬망간인산화물구조및전극소재내은나노입자의분포 ( 좌 ). 은 (Ag) 나노입자가리튬망간인산화물 (LMP) 사이에매립되어 전도다리 역할을하는구조임을보여주는투과전자현미경사진 ( 그림 a, b) 과은나노입자가전극소재내에서균일하게분포되어있음을보여주는원소분석사진 ( 그림 c, d) 임. 은나노입자가매몰된리튬인산망간전극소재의우수한전기화학특성 ( 우 ). 은 (Ag) 나노입자가매립된리튬망간인산화물전극소재 (Ag-embedded) 와기존의리튬망간인산화물전극소재 (pristine) 의충방전속도변화에따른전지용량의변화를 ( 그림 a) 보면은 (Ag) 나노입자가매립된전극소재에서의용량이기존전극소재에서의용량에비해현저히크게나타나며 ( 그림 b) 특히충방전속도가가장큰 10C (6 분동안방전 ) 의경우는 100 배이상큼 ( 그림 c). 충방전횟수가늘어남에따른전지용량의변화또한은 (Ag) 나노입자가매립된전극소재가크게우수함 ( 그림 d) (Lee et al., Nanoscale, 2015) 재리튬이차전지용양극소재로상용화된리튬철인산화물 (LiFePO 4 ) 과같은구조를가지고있지만작동전위가 4.1 V 로서 3.4 V 인 LiFePO 4 보다높기때문에이론에너지밀도가높다. 그러나전기전도도가리튬철인산화물보다 100 배낮아발현할수있는실제용량과출력이이론수치에크게미치지못하기때문에전극소재로서의관심과연구결과가많지않았다. 따라서리튬망간인산화물의전기전도도를크게향상시키면, 앞서언급한에너지밀도가높다는장점을비로소활용할수있게되어리튬철인산화물에비해유리한전극소재가될수있다. 따라서주요전지생산업체들의대용량전지용양극재물질선택이분분한가운데 BYD등중국업체들이 LFP를후보물질로채택하였으며, 일본업체들은최근 Fe을 Mn으로치환시킨 LMP(LiMnPO 4 ) 에기대를하고있다. [ 그림 6] 은최근에 LMP 관련연구사례로서미량의은 (Silver) 을합성공정이단순한고상법을이용하여은나노입자가매몰된리튬인산망간전극소재를개발하여전기전도도를 10,000 배향상시킨연구결과를보여준다. 음극소재충전시리튬이온을받아들이는역할을하는음극재는리튬이차전지소재가격중약 10% 를차지하며현재안전성과구조적안정성이뛰어난흑연계가주로이용되고있다. 1970년대후반에리튬이차전지의음극은금속리튬을사용했었다. 그러나금속리튬을음극으로사용하게되면충방전시음극표면에수지상이형성및성장하여양극과의접촉으로인한내부단락그리고높은표면적에따른높은반응성으로폭발의위험이있어전지의안정성에치명적이다. 따라서리튬이차전지상용화를위해서는음극재로서금속리튬을사용할수없었기때문에그대안으로낮은전기화학적환원전위를가지면서리튬이온이가역적으로삽입과탈리가가능한흑연계를음극으로사용하여리튬이차전지의안정성을확보하게되었다. 7

그림 7. 리튬이차전지음극활물질종류및특성 (Argonne National Laboratory, 2011. 10) 음극활물질은인조흑연계, 천연흑연계, 저결정성탄소계및금속계등으로구분한다 [ 그림 7].

그러나흑연계는음극재로서구조적으로탄소원자여섯개사이에최대하나의리튬이온만이삽입이가능하여 (xli + xe - + 6C = Li x C 6 ) 음극용량의손실이발생하여리튬이차전지의용량을제한시키는주된요인으로작용한다 [ref].

5 그림 7. 리튬이차전지음극활물질종류및특성 (Argonne National Laboratory, ) 음극활물질은인조흑연계, 천연흑연계, 저결정성탄소계및금속계등으로구분한다 [ 그림 7]. 탄소재료는열처리온도따라고결정성탄소와저결정성탄소로분류하며, 인조흑연은 2,500 이상의고열을가해서흑연의결정도를매우높게만들기때문에천연흑연보다조직이안정적이고사이틀수명이 2~3배정도우수하다. 저결정성탄소는소프트카본과하드카본으로구성되며, 결정구조가안정화되어있지않기때문에사이틀수명은짧으나리튬이온의삽입과탈리가빨라고속방전에유리한특성을가진다. 그러나흑연계는음극재로서구조적으로탄소원자여섯개사이에최대하나의리튬이온만이삽입이가능하여 (xli + xe - + 6C = Li x C 6 ) 음극용량의손실이발생하여리튬이차전지의용량을제한시키는주된요인으로작용한다 [ref]. 앞으로중대형리튬이차전지상용화를위해서는셀의용량을늘려야하고, 이를위해서는현재음극재로사용되고있는흑연계용량보다최소두배이상의용량을가지는새로운음극활물질개발이필요한시점이다. 최근에는실리콘을음극재로이용하여셀용량을 4배이상증가시킬수있는물질이개발중에있으나, cycle 후에음극활물질의부피가증가하는문제로실제전지제작에는적용되지못하고있다. 분리막및전해질분리막은리튬이차전지소재가격중약 14% 를차지하고있으며단순히양극과음극을분리시키는역할뿐만아니라그이상의기능을요구한다. 전해질용액에화학적안정성, 고용량화를위한고밀도충전이가능한얇은막두께, 작동온도에서높은이온투과도및낮은전기저항등다양한요구조건을만족해야하기때문에높은기술수준과신뢰성이요구된다. [ 그림 8] 은현재리튬이차전지용분리막의종류및특징을보여준다. 최근에는셀이중대형으로커지면서출력이나안전성측면에서분리그림 8. 리튬이차전지분리막의종류및특징 (Deutsche Bank, ) 8 방사광과학과기술

6 VOL.22/NO.4/Winter 2015 막의역할이커지고있다. 출력의경우는기존의폴리에틸렌재료의소수성을친수성으로개질하는방식으로연구가진행되고있으며, 안전성의경우에는세라믹입자코팅을통해서고온에서도분리막이수축하는것을방지하는방향으로연구가진행되고있다. 전해질은리튬이차전지소재가격중약 7% 를차지하며양극과음극전달매개체로유기용매, 전해질염및첨가제로구성된다. LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 등의리튬염을 PC(Propylene Carbonate), EC(Ethylene Carbonate), DMC(Dimethyl Carbonate) 등의유기용매에용해하여전해액으로사용한다. 리튬이차전지는물이쉽게분해되는 3.7V의고전압에서작동하므로친환경이며저가인수용액은전해액으로사용이불가능하다. 따라서높은전압에서작동할수있는유기용매들이전해액으로주로사용된다. 전해액은전극재료에따라조성을최적화해야하며용질의종류와농도그리고용매의종류와혼합비율에따라각기다른특성의전해액을얻을수있다. 최근에는전기자동차의경우높은안전성을요구하기때문에유기용매대신이온전도도를높인폴리머전해액이확대사용될것으로예상되며, 궁극적으로는고체전해질개발을목표로연구가진행되고있다. 방사광가속기를이용한리튬이차전지연구서론에서언급한바와같이최근 10년동안이차전지연구관련국내이용자들의포항방사광가속기빔라인활용도가매우높다. 이는방사광가속기의장점인높은휘도의광원, X-선파장가변성, 고에너지 X-선의높은투과력등이이차전지소재분야연구에매우유리하기때문이다. 이글에서는이차전지분야에서가장많이활용하고있는분석기법인 X-선회절법 (X-ray Diffraction) 과원자흡수분광법 (X-ray Absorption Fine Structure) 에대해서원리와활용예를중심으로기술한다. X-선산란리튬이차전지의전극소재는대부분분말형태의다결정입자로서합성이된다. 이렇게합성된다결정입자상 (phase) 의결정구조분석을위해서는 X-선분말회절패턴을얻어리트벨트정련과정을수행해야한다. 리트벨트정련분석과정은분말회절패턴을이용한결정구조해석의마지막단계에해당하며혹은이미알려진결정구조내에서원자들의움직임이나첨가된원자의위치등을연구할때사용된다 [ 그림 9]. 결정구조를해석하기위해 그림 9. LiMnPO 4 양극소재의고분해능분말회절패턴과리트벨트정련법에의해계산된패턴 ( 좌 ), 리트벨트정련법에의해얻은구조정보로서격자상수, 원자위치, 자리점유율등을보여줌 ( 우 ) 9

특집 그림 10. X-선 투과법을 이용한 전기화학셀 내 전극소재의 충방전 동안 in-situ XRD 측정 서는 데이터 수집 후 Indexing, 공간군 결정, Structure 결정구조는 리트벨트 정련 과정을 통해 최종 확인하게 Factor Extraction 등을 하게 되며, 이런 방법을 통해 된다.

7 특집 그림 10. X-선 투과법을 이용한 전기화학셀 내 전극소재의 충방전 동안 in-situ XRD 측정 서는 데이터 수집 후 Indexing, 공간군 결정, Structure 결정구조는 리트벨트 정련 과정을 통해 최종 확인하게 Factor Extraction 등을 하게 되며, 이런 방법을 통해 된다. 서 제안된 결정구조는 리트벨트 정련 방법을 통해 확인하 포항가속기연구소 9B 고분해능분말회절 빔라인은 이 고 정련되게 된다. Structure Factor Extraction에는 리트 러한 분말회절패턴 분석의 목표인 리트벨트 정련 분석에 벨트 정련 분석 프로그램인 Fullprof나 GSAS가 사용되며 적합한 신뢰도가 높은 양질의 XRD 데이터를 획득할 수 방사광 고분해능패턴의 경우에 중첩되지 않은 회절 패턴 있기 때문에 이용자들의 빔타임 경쟁률이 빔타임 요구일 으로부터 보다 많은 구조인자를 추출할 수 있으며 일반 수 기준으로 5:1이 넘는다. 일반적으로 양극소재의 전기 적으로 수백 개 이상을 추출할 수 있다. 리트벨트 정련과 화학특성과 리튬이온의 확산력(diffusion ability)은 결정 정에 의미 있는 정련결과를 얻기 위한 경험규칙이 있는 구조에 의존한다. 각분해능(angular resolution)이 최대화 데 정련과정의 변수 한 개당 10개 이상의 구조인자가 필 된 분말회절패턴을 측정하여 리트벨트 정련법으로 분석 요하며 정밀한 정련결과를 얻기 위해서는 변수 한 개당 하게 되면 전극소재의 단위셀(unit cell) 내 원자의 위치, 20개 정도의 구조인자를 요구한다. 기본적으로 추출해낸 격자상수, 자리 점유율 그리고 원자간 결합거리 등의 정 구조인자와 그 위상을 알고 있다면 역푸리에 변환하면 보를 높은 신뢰도를 가지고 얻을 수 있다 [그림 9]. X-선 전자밀도 함수를 구할 수 있고 결정구조를 알게 되는 것 의 장점 중에 하나인 높은 투과력을 활용하게 되면 충방 이지만 X-선 회절 실험으로는 구조인자의 크기만 알 수 전 과정 동안 이차전지 전극소재의 X-선 회절패턴을 얻 있고 위상을 알 수 없기 때문에 이러한 간단한 방법으로 을 수 있다. 이렇게 획득한 in-situ XRD 패턴을 통하여 는 결정구조를 알아 낼 수 없다. 위상문제를 실험적으로 실제 리튬이온이 전극 소재에 탈착/삽입 과정 동안 구조 는 통계적으로 처리하여 역푸리에 변환으로 전자밀도함 가 어떻게 변하는지를 전기화학적 거동과 함께 실시간으 수를 구하는 방법이 Direct Method이며 분말회절 패턴 로 관찰 할 수 있다 [그림 10]. 으로부터 얻은 구조인자에는 단결정 실험으로 얻은 구조 인자보다 많은 오차를 포함하고 있기 때문에 이러한 오 X-선 흡수분광법 차를 줄이기 위한 대체 방법으로 Direct Space Method, X-선 흡수분광분석법(XAFS)은 물질이 X-선을 흡수하 Maximum Entropy Method등이 사용되고 있다. 제안된 는 에너지인 흡수단(absorption edge, Eo) 근처에서의 흡 10 방사광 과학과 기술

8 VOL.22/NO.4/Winter 2015 를얻을수있으며 extended x-ray absorption fine structure(exafs) 라고부른다. XAFS 측정은 XRD 측정에비해매우적은양의시료와적은함량의원소도측정이가능하다. [ 그림 11] 에 Mn 화합물의 Mn K-edge에서의 XAFS 데이터와 XANES 및 EXAFS 영역의구분을예로도시하였다. 포항가속기연구소의 8C Nano-probe 빔라인에서 XAFS 측정이이루어지는실험허치내부사진이그림 12에있다. 핑크색화살표는 X-선의진행방향이다. 그림 11. Mn 산화물의 Mn K-edge XAFS 데이터와 XANES 및 EXAFS 영역표시 수계수 (μ) 변화로부터물질의국부구조 (local structure) 를연구하는학문이다. XAFS 는측정에너지영역에따라 두가지영역으로구분된다. 첫번째는 E o 에서부터수십 ev 까지의영역으로, 물질의산화가, 결합의대칭성, 전자 구조등의정보를얻을수있으며 x-ray absorption near edge spectroscopy(xanes) 라고부른다. 두번째는 XANES 영역이후부터 E o + ~1000 ev 까지의영역으로, fitting 을통하여인접원자의배위수, 결합길이등의정보 I 0 chamber를통과한 X-선은시료와 I T chamber, I R chamber 를차례로통과하고각각의 chamber에서얻은신호를증폭및변환하여사용한다. 시료가놓이는스테이지옆에 X-선진행에직각방향으로형광신호를측정할수있는 I F 검출기가놓여있어, 투과및형광측정을동시에할수있다. 앞서기술한바와같이 XANES 영역에서는시료의산화상태를분석할수있다. [ 그림 12] 는 Mn 산화물들의 XANES 스펙트럼을보여준다. Mn의산화가가 2+, 3+, 3.5+, 4+ 로변화함에따라 main edge 의위치가높은에너지쪽으로이동한다. 전자이동에따른 coulomb 효과때문이다. 리튬이차전지전극재료의 XAFS 측정에있어서는분말시료의국부구조분석뿐만 그림 12. XAFS 측정 setup ( 좌 ), Mn 산화물들의 Mn K-edge XANES 스펙트럼 ( 우 ) 11

그림 13. LiMnFePO 4 전극의충전시실시간 XANES 스펙트럼과 ( 좌 ), EXAFS 데이터의푸리에변환결과 ( 우 ) 아니라충방전시재료의구조변화를실시간으로관찰이가능하다. [ 그림 13] 은포항가속기연구소 8C 빔라인에서측정한결과로서, 이차전지용 LiMnFePO 4 전극의충전시실시간 XANES 및 EXAFS 데이터분석결과이다.

9 그림 13. LiMnFePO 4 전극의충전시실시간 XANES 스펙트럼과 ( 좌 ), EXAFS 데이터의푸리에변환결과 ( 우 ) 아니라충방전시재료의구조변화를실시간으로관찰이가능하다. [ 그림 13] 은포항가속기연구소 8C 빔라인에서측정한결과로서, 이차전지용 LiMnFePO 4 전극의충전시실시간 XANES 및 EXAFS 데이터분석결과이다. 충전이진행됨에따라 Fe와 Mn의산화상태가변화하게되고, 인접원자인산소및인과의결합거리가변화하는것을반응이일어나는실시간으로분석이가능하다. 맺음말본글에서는최근에가장각광을받고있는리튬이차전지분야를소재기술동향과전망을중심으로간단하게기술하였다. 리튬이차전지는현재급속히증가하고있는전기자동차및신재생에너지의전력저장용중대형이차전지시장의요구를충족시키기에는이론용량의한계에직면해있다. 따라서산업계의요구를충족시키기위해서는새로운형태의이차전지나새로운전지시스템의개발이필요한상황이다. 또한최근리튬자원고갈에대한대안으로탈리튬이온전지기술의중요성이시급하게대두됨에따라나트륨 (Na) 이나칼륨 (K) 을기반으로하는탈 리튬이차전지의양극소재에대한연구가진행되고있다. 이렇듯이차전지분야에는아직까지도해결해야할난제 들이많이남아있으며, 관련분야연구자들이포항방사광 가속기를충분히활용하여본분야를선도할수있는연 구결과를도출할수있기를방사광가속기종사자로서기 대해본다. 끝으로이글을읽고항상소지하고다니는 휴대폰의전원장치인리튬이차전지에대해서조금이나 마이해할수있는기회가되었기를바라며이글을마무 리하고자한다. 저자약력 안도천박사는전남대학교에서학사 (2000 년 ), 광주과학기술원에서석사 (2003 년 ), 포항공과대학교신소재공학과에서박사 (2010 년 ) 학위를취득하였다 년 5 월부터현재까지포항가속기연구소빔라 인운영부에서 9B 고분해능분말회절빔라 인매니저로재직중이며, 현재에너지환 경소재팀장을맡고있다. adc4055@postech.ac.kr 12 방사광과학과기술

연구팀은리튬이온배터리의새로운전극재료로써황 - 금속 ( 몰리브데늄 ) 화 합물에주목하고이를이용해현재의리튬이온배터리의양극재보다무게당 용량이최대 6 배향상되고 ( 에너지밀도 3 배 ) 충 방전 2,500 회동안초기성능 의 90% 이상유지할수있는새로운실시간전기화학적처리를개발하

연구팀은리튬이온배터리의새로운전극재료로써황 - 금속 ( 몰리브데늄 ) 화 합물에주목하고이를이용해현재의리튬이온배터리의양극재보다무게당 용량이최대 6 배향상되고 ( 에너지밀도 3 배 ) 충 방전 2,500 회동안초기성능 의 90% 이상유지할수있는새로운실시간전기화학적처리를개발하 GIST( 광주과학기술원 ) 보도자료 http://www.gist.ac.kr 보도일시배포즉시보도부탁드립니다. 보도자료 담당 대외협력팀김미연팀장 062-715-2020 / 010-5302-3620 대외협력팀이나영행정원 062-715-2024 / 010-2008-2809 자료문의신소재공학부엄광섭교수 062-715-2313 전기차주행거리 3 배늘릴리튬이온배터리개발