국립금오공과대학교는 박철민 재료공학부 신소재공학전공 교수 연구팀이 전고체 리튬전지의 핵심 난제인 '리튬 수지상 형성'과 '계면 불안정성' 문제를 단번에 해결할 수 있는 고성능 리튬 화합물 음극 소재를 개발했다고 17일 밝혔다.
액체 전해질을 사용하지 않는 전고체전지는 화재 위험이 낮아 차세대 배터리 기술로 여겨진다. 그러나 리튬 금속 음극을 사용할 경우, 리튬 수지상 성장과 전극-전해질 계면 분해 반응이 발생해 안정적인 구동이 어렵다. 특히 높은 전류 밀도에서 급격하게 발생하는 수지상 성장을 억제하면서 동시에 높은 출력 특성을 확보하는 것은 매우 어려운 과제로 꼽힌다.
연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 '리튬-갈륨(Li-Ga) 화합물 기반 음극 소재'라는 새로운 접근을 제시했다. 연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 리튬-갈륨 이원계 화합물 전체를 분석하고, 열역학적으로 가장 안정적인 LiGa 단일 화합물을 최적의 음극 소재로 선정했다.
LiGa는 입방정(Cubic) 결정 구조 내에 다수의 리튬 확산 채널을 가지며, 리튬-갈륨 화합물 중 가장 우수한 열역학적 안정성과 높은 이온 및 전자 전도도를 동시에 확보할 수 있는 구조임을 확인했다. 이러한 특성은 기존 전고체전지 음극 소재 대비 뛰어난 성능을 가능하게 하는 핵심 요소로 평가된다.
전고체전지 상용화의 큰 걸림돌 중 하나는 전극 간 접촉 유지를 위한 외부 가압 장치였다. 특히 기존 합금계 음극들은 20MPa 이상의 높은 압력이 요구되어 전지 시스템의 무게와 제조 비용을 상승시켰다. 연구팀이 개발한 리튬 화합물 음극은 소재 자체의 우수한 기계적 특성을 바탕으로 3 MPa의 낮은 압력에서도 완벽한 계면 안정성을 보여주었다. 이는 거대한 외부 장치 없이도 전고체전지를 구현할 수 있게 하여 배터리 팩의 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 핵심 기술로 평가받았다.
연구팀은 리튬 화합물 음극과 NCM 양극, 황화물계 고체전해질을 결합한 전고체전지 풀셀을 제작해 실제 구동 성능을 검증했다. 그 결과, 상용화의 핵심 지표 중 하나인 면적당 용량 14.47mAh/cm2를 달성했으며, 3MPa의 저압 조건에서도 수백 회 이상의 충·방전 동안 리튬 수지상 없이 안정적인 수명 특성을 유지했다. 또 상온뿐만 아니라 55 ℃의 고온 환경에서도 안정적인 구동 성능을 확인했으며, 파우치셀 테스트를 통해 대면적 배터리 시스템 적용 가능성까지 입증했다.
박철민 교수는 “이번 연구를 통해 저압 조건에서도 고용량과 안전성을 동시에 확보할 수 있는 전극 구조를 제시한 만큼, 향후 다양한 전극 시스템으로 기술을 확장하여 전고체전지 상용화를 앞당기는 후속 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 중점연구소사업 지원과 국립금오공과대학교 슈퍼컴퓨팅센터의 고성능 컴퓨팅 자원 지원을 받아 수행됐다. 박철민 교수가 교신저자, 신소재공학과 윤정명 박사과정 연구원과 톤다이만 박사후 연구원이 공동 제1저자, 김도현 박사후 연구원 및 이영한·한제현 박사과정 연구원이 공동저자로 연구에 참여했다. 연구성과는 최근 에너지 및 소재 분야 최상위 국제 학술지로 평가받는 '어드벤스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 게재됐으며, 표지(Cover)로도 선정돼 연구의 우수성과 학술적 가치를 인정받았다.
구미=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
