금오공대 박철민 교수, ‘전고체배터리 고성능 음극재’ 개발 주목

↑↑ ‘Advanced Energy Materials(IF 26.0)’ 3월호 표지 사진(사진 금오공대)

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국립금오공과대학교 박철민 교수(재료공학부 신소재공학전공) 연구팀이 전고체 리튬전지의 핵심 난제인 ‘리튬 수지상 형성’과 ‘계면 불안정성’ 문제를 한번에 해결할 수 있는 고성능 리튬 화합물 음극 소재 개발에 성공했다고 17일 밝혔다.

대학 측에 따르면, 이번 연구 성과는 에너지 및 소재 분야 최상위 국제 학술지로 평가받는 ‘Advanced Energy Materials(IF 26.0)’ 3월호에 게재는 물론 표지로 선정돼 연구의 우수성과 학술적 가치를 인정받았다는 것.

논문 제목은 ‘Highly Conductive and Dendrite-Free Li–Ga Compound Anodes for High-Performance Lithium All-Solid-State Batteries(고전도성 및 수지상 성장 억제 Li-Ga 화합물 음극을 이용한 고성능 전고체 리튬전지)’이다.

액체 전해질을 사용하지 않는 전고체전지는 화재 위험이 낮아 차세대 배터리 기술로 주목받고 있다. 그러나 리튬 금속 음극을 사용할 경우, ‘리튬 수지상 성장’과 ‘전극–전해질 계면 분해 반응’이 발생해 안정적인 구동에 한계가 있다는 문제가 있었다.

특히 높은 전류 밀도에서 급격하게 발생하는 수지상 성장을 억제하면서 동시에 높은 출력 특성을 확보하는 것은 매우 어려운 과제로 꼽힌다. 이를 보완하기 위해 요구되는 고압 구동 조건 역시 전고체전지 상용화의 주요 장애 요인이다.

↑↑ 박철민 교수 연구팀(왼쪽부터 박철민 교수, 윤정명 연구원, 톤다이만 박사후 연구원)(사진 금오공대)

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연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 ‘리튬–갈륨(Li–Ga) 화합물 기반 음극 소재’라는 새로운 접근을 제시해 기존 음극 소재의 한계를 극복했다는 것.

연구팀은 리튬 화합물 음극과 NCM 양극, 황화물계 고체 전해질을 결합한 전고체전지 풀셀을 제작해 실제 구동 성능을 검증했다. 그 결과, 상용화의 핵심 지표 중 하나인 면적당 용량은 물론 저압 조건에서도 수백 회 이상의 충·방전 동안 리튬 수지상 없이 안정적인 수명 특성을 유지했다. 또한 상온뿐만 아니라 55 ℃의 고온 환경에서도 안정적인 구동 성능을 확인하고, 파우치셀 테스트를 통해 대면적 배터리 시스템 적용 가능성까지 입증했다는 설명이다.

박철민 교수는 “전고체전지의 고성능화를 위해서는 전극 내부에서 리튬 이온과 전자가 원활하게 이동할 수 있어야 하지만, 기존 소재들은 저압 환경에서 계면 접촉 안정성과 이온·전자 전도성을 동시에 확보하기 어려웠다.”며, “이번 연구를 통해 저압 조건에서도 고용량과 안전성을 동시에 확보할 수 있는 전극 구조를 제시한 만큼, 향후 다양한 전극 시스템으로 기술을 확장해 전고체전지 상용화를 앞당기는 후속 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.