국립금오공대, 박철민 교수 연구팀
높은 초기 효율과 안정성 동시 충족, 새로운 분류의 리튬이차전지 음극 제안
차세대 고성능 이차전지 음극 소재로서 상용화 가능성 높아
2022년 10월 07일(금) 13:01 [경북중부신문]
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국립금오공과대학교(총장 곽호상) 신소재공학부 전지신소재연구실(Advanced Battery Materials Lab.) 박철민 교수 연구팀이 ‘고성능 리튬이차전지용 신개념 리튬화합물 음극 소재’ 개발에 성공했다.
박철민 교수 연구팀은 최근 신개념 음극 소재로 분류될 것으로 기대되는 다양한 리튬화합물(Li-compound)을 제조한 데 이어, 이를 리튬이차전지용 음극 소재로 적용하여 전지 성능의 우수성을 확인했다.
고용량의 이차전지를 구현하기 위해서는 이론용량이 높은 리튬 금속 및 실리콘을 음극 소재로 사용해야 하지만, 현재 상용화되고 있는 흑연 음극 소재는 제한적 용량(372 mAh/g)으로 인해 고용량 이차전지를 구현하는 데 어려움이 있다.
리튬 금속은 금속 자체의 높은 반응성으로 인해 안전성에 대한 우려가 있고, 실리콘 음극은 충전 및 방전 시 수명이 저하되는 한계를 가진다. 또한, 이러한 음극들은 초기 충전 시 일정량의 리튬이온이 영구 손실되는 문제도 있다.
영구 손실되는 리튬이온은 이차전지 가격에서 가장 큰 비중을 차지하는 양극에서 제공되기 때문에 초기 손실을 줄이고, 초기효율을 향상시킬 수 있는 관련 기술이 다양하게 연구되고 있는 상황이다.
현재 알려진 초기효율을 향상시킬 수 있는 대표적인 방법은 리튬을 음극 소재에 미리 저장시키는 ‘사전리튬화(pre-lithiation)’ 기술이다. 하지만, 사전리튬화 기술은 복잡한 공정 및 제어가 요구되며, 사전리튬화 처리된 소재는 대기 중에서 높은 반응성을 보이기 때문에 실제 상용화 단계에 도달하기에는 많은 어려움이 있다.
이러한 기존 음극 소재의 한계를 극복하기 위해, 박철민 교수 연구팀은 다양한 ‘리튬화합물 음극 소재’ 개념을 새롭게 제안했다. 리튬화합물 음극 소재는 기존 상용화된 음극 소재들과 비교하여 더 높은 초기 효율과 용량, 그리고 출력 특성을 보였다. 또한, 리튬화합물 음극은 일반적인 대기 중에서도 높은 안정성을 보인 점이 주목할 만하다.
그동안 다양한 이차전지 시스템과 고용량 전극 소재 개발 등 차세대 산업 동력을 위한 연구를 지속적으로 이어오고 있는 박철민 교수는 “이번 성과는 리튬이차전지는 리튬을 포함하는 양극소재 및 리튬을 포함하지 않는 음극소재로 구성된다는 기존 사고의 틀을 벗어나는 것으로, 이차전지 전극 소재 관련 연구에 새로운 패러다임을 제시할 것이며, 고성능 음극 소재의 실질적 상용화에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
4단계 BK21사업, 중견연구자지원사업 및 금오공대 Grand-ICT연구센터사업 지원으로 수행된 이번 연구는 금오공대 BK21 에너지융합기술 혁신인재 양성사업단 남기훈 박사후 연구원이 제1저자로 참여했으며, 인하대 환경공학과 전기준 교수 및 정상민 박사후 연구원, 한국전기연구원 최정희 박사, 미국 전기차 업체 리비안(Rivian) 유병철 박사와의 공동 연구로 진행됐다.
관련 연구는 나노소재분야 세계적 권위지 ‘ACS Nano(IF=18.027)’온라인판에 9월 27일자로 게재됐으며, 연구 결과의 중요성을 인정받아 표지논문으로 선정되는 쾌거를 거뒀다. 또한 관련 특허 2건도 출원했다.
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