초고용량·초고속 충전·낮은 구동압력·광범위한 온도 안정성 확보에너지 분야 최고 권위 학술지 ‘줄(Joule)’게재, 세계적 연구 역량 입증
  • ▲ (왼쪽부터)박철민 교수(국립금오공대 재료공학부), 김도현 연구원(국립금오공대 신소재공학과 박사과정),전기준 교수(인하대), 최정희 박사(한국전기연구원)ⓒ금오공대 제공
    ▲ (왼쪽부터)박철민 교수(국립금오공대 재료공학부), 김도현 연구원(국립금오공대 신소재공학과 박사과정),전기준 교수(인하대), 최정희 박사(한국전기연구원)ⓒ금오공대 제공
    경북 구미시에 있는 국립금오공과대학교는 재료공학부 박철민 교수 연구팀이 인하대, 한국전기연구원(KERI), 순천대 연구팀과의 공동연구로 세계 최고 수준의 ‘전고체전지용 리튬(Li)–실리콘(Si) 화합물 음극 소재 개발’에 성공했다고 8일 밝혔다.

    이번 연구 성과는 지난달 에너지 분야 세계적 학술지 ‘Joule(IF 35.4)’에 게재됐으며, 박철민 교수팀은 지난해에 이어 2년 연속 에너지 분야 최고 저널인 Joule에 연구 성과를 발표하며, 전고체전지 연구 분야에서의 세계적 연구 역량을 입증했다.

    ◆ 기존 실리콘 음극의 총체적 난제 해결

    전고체전지는 모든 구성 요소가 고체로 이뤄어진 차세대 배터리로, 화재·폭발 위험이 있는 기존 액체 전해질 기반 리튬이온전지를 대체할 기술로 주목받고 있다. 

    그러나 실리콘(Si) 음극은 충·방전 시 심각한 부피 팽창, 낮은 이온·전자 전도도, 고체전해질과의 부반응, 50 MPa 이상의 높은 구동 압력 요구 등의 문제로 인해 전고체전지 적용이 사실상 어렵다는 평가를 받아왔다. 

    이에 따라 연구팀은 ‘Li(리튬)–Si(실리콘) 화합물 기반의 완전히 새로운 음극 구조 설계’를 통해 이 난제를 해결했다.

    ◆ 최적 리튬–실리콘 화합물 구조 규명

    연구팀은 고도화된 밀도범함수이론(DFT) 계산을 활용해 다양한 리튬–실리콘 화합물의 구조·전도도 특성 등을 체계적으로 분석했다. 

    그 결과, 기존 실리콘이나 단순 복합체가 아닌 특정 조성의 Li–Si 화합물 상이 전고체전지 음극에 최적임을 규명했다. 

    특히, Li7Si3 상은 매우 높은 이온·전자 전도도, 충·방전 과정에서 거의 부피 변형이 없는 안정적 반응메커니즘, 황화물계 고체전해질과의 뛰어난 상호 적합성 등을 갖추고 있어 차세대 전고체전지용 음극 소재로 가장 이상적인 구조임을 입증했다.

    ◆ 낮은 구동 압력에서도 안정적 작동, 기계적 특성 획기적 개선

    기존 실리콘 음극은 높은 구동 압력을 가해야 입자 간 접촉이 유지되지만, Li7Si3 상은 높은 소성·탄성 변형에너지를 동시에 갖춰 낮은 구동 압력에서도 치밀한 입자 접촉 안정성을 확보할 수 있다. 

    그 결과, 일반 실리콘 음극에 필요한 50 MPa의 약 1/5 수준인 10 MPa에서도 안정적인 전극 성능을 구현하는 데 성공했다. 

    이는 제조 공정비용과 장비 부담을 대폭 줄여, 전고체전지 상용화에 매우 중요한 이점을 제공한다.

    ◆ 초고용량·초고속 충전·광범위 온도 안정성 확보

    연구팀은 Li7Si3 음극, NCM622 양극, 황화물계 고체전해질(Li6PS5Cl)로 구성된 전고체전지 풀셀을 제작해 성능을 검증했다. 

    그 결과, 면적용량 15.96 mAh/cm2 달성(세계 최고 수준), 6분 급속충전 조건에서 2,000회 이상 안정적인 사이클 유지, –10℃~80℃의 넓은 온도 범위에서 안정적 작동, 파우치셀 제작 성공으로 상용화 가능성 확인 등의 뛰어난 성능을 확보하며 ‘세계 최고 수준’의 전고체전지 특성을 입증했다.

    ◆ 전고체전지 상용화의 핵심 난제 근본 해결

    이번 연구는 난제로 여겨졌던 실리콘 음극의 부피 팽창, 낮은 전도도, 고압 구동, 구조적 취약성 등의 문제를 단일 소재 혁신만으로 근본적으로 해결했다는 점에서 큰 주목 받고 있다. 

    박철민 교수는 “리튬–실리콘 화합물을 통해 기존 실리콘 음극의 구조적·전기화학적 한계를 효과적으로 보완할 수 있는 새로운 해법을 제시했다”며 “높은 에너지 밀도, 초고속 충전 성능, 낮은 구동 압력이라는 장점을 갖춘 본 기술이 전고체전지의 상용화를 가속화하는 핵심 소재가 될 것”이라고 강조했다. 

    이어, “향후 다양한 전극 소재 연구로 확장해 차세대 배터리 시장을 선도할 원천 기술 확보에 주력하겠다”고 계획을 밝혔다.