금오공대, 불타지 않는 전고체 전지 개발…고성능 음극소재 개발에 기여 전망

국립금오공과대학교(총장 곽호상)는 박철민 신소재공학부 전지신소재연구실 교수 연구팀이 한국전기연구원, 인하대 연구팀과 공동으로 세계 최고 성능과 우수한 안전성을 갖춘 전고체전지를 개발했다고 24일 밝혔다.

왼쪽부터 박철민 금오공대 교수, 이영한 연구원, 전기준 인하대 교수, 하윤철 한국전기연구원 박사

현재 리튬이온 이차전지는 가연성 유기 용매를 사용한 액체 전해질로 인해 화재 및 폭발 위험이 있다. 이를 해결하기 위해 전고체전지 연구가 활발하게 진행되고 있지만 고성능 음극 소재 개발에 대한 난관이 있다.

연구팀은 주석(Sn) 기반의 합금계 소재인 철-주석 화합물(FeSn2)을 전고체전지용 음극소재로 제안했다. 합금계 음극소재의 전기화학적 반응으로 인한 부피 변화로 발생하는 성능 열화를 극복하기 위해 합금계 음극소재의 기계적 특성을 면밀히 분석했다. 특히 외부 압력이 가해지는 전고체전지 환경에서 음극소재의 기계적 특성이 전기화학 반응 중 어떤 현상을 초래하는 지에 대해 집중적으로 연구했다.

주석계 화합물 음극소재가 적용된 전고체전지의 전기화학적 성능과 에너지 밀도 이미지.

연구팀은 주석계 화합물이 다른 합금계 음극 소재와 달리 충·방전 과정에서도 공극 및 균열이 관찰되지 않음을 확인했다. 이는 주석계 화합물이 적절한 연성-취성 및 높은 탄성-소성 변형에너지를 가지며, 반복적인 충·방전 시에도 재결합 반응을 통해 사이클 과정에서 주석계 화합물의 결정립 크기가 감소하기 때문이다. 특히 외부 압력이 가해지는 전고체전지 환경에서 높은 탄성-소성 변형에너지가 충·방전 중에 형성된 공극을 메워 입자 간의 접촉을 장기간 유지할 수 있음을 증명했다.

연구팀은 주석계 화합물 음극소재를 활용해 완전셀(full cell)을 제작했으며, 이를 통해 높은 면적 용량과 에너지밀도를 달성했다. 또 6분 및 3분 만에 충전이 가능한 10C 및 20C의 고속 충전 조건에서 1000회 이상의 뛰어난 사이클 안정성을 보였다.

박철민 교수는 “이번 성과는 리튬 금속계 음극 및 무음극 기반의 음극 소재 개발에 치우친 기존 전고체전지 연구에서 벗어나 새로운 가능성을 제시한 연구”라며 “전고체전지 상용화를 위한 고성능 음극소재 개발에 중요한 기여를 할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구의 책임저자는 박철민 교수이며, 신소재공학과 박사과정 이영한 연구원이 제1저자, 전기준 인하대 환경공학과 교수와 한국전기연구원 하윤철 박사가 공동 책임저자, 최인철 금오공대 신소재공학부 교수, 박사과정 김도현 연구원, 윤정명 연구원, 한국전기연구원 최정희 박사가 공동저자로 참여했다

4단계 BK21사업, 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 한국전기연구원의 지원을 바탕으로 진행된 이번 연구성과는 최근 에너지 분야 세계적 학술지 '줄(Joule)'에 온라인 게재됐다. 또 연구의 중요성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.

구미=정재훈 기자 jhoon@etnews.com