금오공대 박철민 교수 연구팀이 전고체 리튬전지의 최대 난제로 꼽히는 '리튬 수지상 형성'과 '계면 불안정성'을 동시에 해결한 고성능 음극 소재를 개발해 상용화 가능성을 크게 앞당겼다. 사진은 금오공대 연구진. 왼쪽부터 박철민 교수, 윤정명 연구원, 톤다이만 박사후 연구원. /금오공대

[더팩트 | 구미=정창구 기자] 국립금오공대는 박철민 교수 연구팀이 전고체 리튬전지의 최대 난제로 꼽히는 '리튬 수지상 형성'과 '계면 불안정성'을 동시에 해결한 고성능 음극 소재를 개발해 상용화 가능성을 크게 앞당겼다고 17일 밝혔다.

연구팀은 리튬–갈륨(Li-Ga) 화합물 기반 음극 소재를 새롭게 제시해 기존 리튬 금속 음극의 구조적 한계를 극복했다. 특히 반복 충·방전 과정에서 발생하는 수지상 성장을 근본적으로 억제하고, 전극–전해질 간 계면 안정성을 확보하는 데 성공했다.

이번 연구 성과는 에너지·소재 분야 최상위 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 3월호에 게재됐으며, 표지 논문으로 선정돼 기술적 완성도와 학술적 가치를 동시에 인정받았다.

금오공대 박철민 교수 연구팀의 성과 논문이 에너지·소재 분야 최상위 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 3월호 표지에 선정돼 기술적 완성도와 학술적 가치를 동시에 인정받았다. /금오공대

연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 리튬–갈륨 화합물 중 열역학적으로 가장 안정적인 LiGa 구조를 최적 음극 소재로 도출했다.

해당 구조는 리튬 확산 채널이 풍부해 이온 및 전자 전도도가 뛰어나고, 안정적인 결정 구조를 바탕으로 고성능 구현이 가능하다.

또 기존 전고체전지가 요구하던 20MPa 이상의 고압 조건과 달리, 이번 소재는 3MPa의 저압 환경에서도 안정적인 계면 접촉과 우수한 성능을 유지했다. 이는 별도의 대형 가압 장치 없이도 배터리 구현이 가능하다는 점에서 상용화의 핵심 장애를 해소한 것으로 평가된다.

리튬 금속, 리튬-인듐 및 리튬-갈륨 화합물 음극 소재의 충·방전 과정에 따른 계면 거동 및 수지상 성장 비교 모식도. /금오공대

실제 성능 검증에서도 성과는 두드러졌다. 연구팀은 리튬 화합물 음극과 NCM 양극, 황화물계 고체전해질을 결합한 풀셀에서 면적당 용량 14.47 mAh/cm²를 달성했으며, 수백 회 충·방전 과정에서도 수지상 없이 안정적인 수명을 유지했다.

상온은 물론 55℃ 고온 환경에서도 안정적인 작동을 확인했고, 파우치셀 실험을 통해 대면적 적용 가능성까지 입증했다.

박철민 교수는 "저압 환경에서도 이온·전자 전도성과 계면 안정성을 동시에 확보한 전극 구조를 제시했다는 점에서 의미가 크다"며 "향후 다양한 전극 시스템으로 확장해 전고체전지 상용화를 앞당기겠다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 지원과 금오공대 슈퍼컴퓨팅센터의 고성능 컴퓨팅 자원을 기반으로 수행됐다.

tk@tf.co.kr

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