국립금오공대 박철민 교수 연구팀, ‘불타지 않는 전고체전지’개발

(좌측부터)박철민 교수, 이영한 연구원, 전기준 교수, 하윤철 박사./국립금오공대 제공

국립금오공과대학교 신소재공학부 전지신소재연구실(Advanced Battery Materials Lab.) 박철민 교수 연구팀이  ‘세계 최고 성능과 우수한 안전성을 갖춘 전고체전지 개발’에 성공했다.

관련 연구 결과는 에너지 분야의 세계적 학술지 ‘줄(Joule)’에 9월 13일자로 온라인 게재됐으며, 연구의 중요성을 인정받아 표지논문으로 선정되는 쾌거를 거뒀다.

‘줄’은 네이처(Nature) 및 사이언스(Science)와 함께 과학 분야 3대 저널로 꼽히는 셀(Cell)의 에너지 분야 자매지로, 피인용지수(IF) 38.6에 달하는 세계 최정상급 국제 저널이다.

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 개발과 관련된 난관이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 박철민 교수 연구팀은 주석(Sn) 기반의 합금계 소재인 철-주석 화합물(FeSn2)을 전고체전지용 음극소재로 제안했다.

연구팀은 합금계 음극소재의 전기화학적 반응으로 인한 부피 변화로 발생하는 성능 열화를 극복하기 위해 합금계 음극소재의 기계적 특성을 면밀히 분석해 주석계 화합물(FeSn2)이 다른 합금계 음극 소재와 달리 충·방전 과정에서도 공극 및 균열이 관찰되지 않음을 확인했다.

이는 FeSn2가 적절한 연성-취성 및 높은 탄성-소성 변형에너지를 가지며, 반복적인 충·방전 시에도 재결합(recombination) 반응을 통해 사이클 과정에서 FeSn2의 결정립 크기가 감소하기 때문이다.

연구팀은 FeSn2 음극소재를 활용해 NCM622 양극과 황화물 고체전해질(Li6PS5Cl)을 적용한 완전셀(full cell)을 제작했으며, 이를 통해 높은 면적 용량(15.54 mAh/㎝2)과 높은 에너지밀도(>200Wh/㎏)를 달성했다.

또 6분 및 3분 만에 충전이 가능한 10C 및 20C의 고속 충전 조건에서 1000회 이상의 뛰어난 사이클 안정성을 보였다. 또한 파우치형 전고체전지 성능 평가에서도 255Wh/㎏ 이상의 높은 에너지밀도를 기록하며 상업적 가능성을 증명했다.

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.

이어 “향후 후속 연구를 통해 최적화된 고성능·고안전성 전고체전지의 실현을 위해 노력할 것”이라고 덧붙였다.

국립금오공대 박철민 교수 연구팀이 주도한 이번 연구는 4단계 BK21사업, 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 한국전기연구원의 지원을 바탕으로, 인하대 전기준 교수 및 한국전기연구원 하윤철 박사 연구팀과의 공동 연구로 수행됐다.

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

/김락현기자 [e-mail]