“배터리 한계, 계면에서 풀었다”… 영남대, 차세대 전고체·실리콘 음극 난제 뚫었다

전고체전지·실리콘 음극 산업화 난제 극복… 국제 학술지 'CEJ' 논문 2편 게재
소재 자체보다 '계면 재구성'에 주목, 이온 이동 및 내구성 동시 향상

영남대학교 화학과 강미숙 교수 연구팀이 차세대 배터리를 상용화할 수 있는 핵심 원천기술을 개발했다.

연구팀은 차세대 배터리인 전고체전지와 실리콘 음극의 산업화 난제를 해결할 수 있는 계면공학(Interface Engineering) 기반 기술 플랫폼을 제시했다.

관련 연구논문 2편이 오는 10월 1일 화학공학 분야 국제저명학술지 '케미칼 엔지니어링 저널'에 게재될 예정이다. 이번 연구성과와 관련된 핵심 기술 2건은 모두 특허 출원 중이다.

(왼쪽부터) 영남대 대학원 화학과 석사 이재훈·신현섭 씨와 지도교수 화학과 강미숙 교수

첫 번째 논문(제1저자 영남대 대학원 화학과 석사 이재훈 씨)에서는 차세대 전고체전지 상용화를 가로막는 고온 소결, 수분 민감성, 100MPa 이상의 고압 구동이라는 세 가지 핵심 난제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 고체전해질 플랫폼을 제안했다.

연구팀은 110℃ 저온 수용액 공정만으로 합성 가능한 LZLOS(Lithium-Zinc-Lanthanum Oxysulfate) 다상 헤테로구조 필러를 개발, 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 기반 고체전해질의 결정성을 효과적으로 억제하고, 계면에서 리튬이온이 빠르게 이동할 수 있는 새로운 이온전도 경로를 형성했다.

이어 발표한 두 번째 논문(제1저자 영남대 대학원 화학과 석사 신현섭 씨)은 차세대 리튬이온전지의 핵심 음극재인 실리콘이 갖는 300% 이상의 부피팽창과 반복 충·방전에 따른 계면 붕괴 문제를 해결하기 위한 새로운 '계면 탄소 재구성' 기술을 제시했다.

폐실리콘 태양광 패널의 배터리 음극재 업사이클링 이미지

연구팀은 900℃ 메탄(CH₄) 열분해 공정을 이용해 실리콘 표면에 결함이 풍부한 탄소층과 실리콘-탄소(Si-C) 계면을 동시에 형성하는 새로운 계면 재구성 기술을 개발했다. 이를 통해 기계적 응력을 효과적으로 완화하고, 안정적인 고체전해질계면층(SEI) 형성과 리튬이온 이동 특성을 동시에 향상시켜 실리콘 음극의 장기 사이클 안정성과 전기화학적 반응속도를 크게 개선했다.

이번 두 연구의 적용 대상은 각각 전해질(Electrolyte)과 음극(Anode)으로 다르지만, 공통적으로 계면를 단순히 보호하는 수준을 넘어 기능적으로 재구성해 소재의 근본적인 한계를 극복했다는 평가를 받는다. 즉, 소재 자체를 바꾸기보다 계면의 구조와 화학적 특성을 정밀하게 설계함으로써 이온 이동, 전하 전달, 기계적 안정성 및 장기 내구성을 동시에 향상시키는 새로운 계면공학 플랫폼을 제시했다는 점에서 학술적·산업적 의미가 크다.

강미숙 교수는 “차세대 배터리의 성능과 수명은 결국 계면에서 결정된다”며 “앞으로도 계면공학을 기반으로 전고체전지, 실리콘 음극, 고에너지 양극재 및 차세대 이차전지 분야에서 산업화가 가능한 원천기술을 지속적으로 개발하고, 연구성과를 특허와 기술이전으로 연결하여 국가 배터리 산업 경쟁력 향상에 기여하겠다”고 밝혔다.

정재훈 기자 jhoon@etnews.com