국내 연구진이 세계 최고 수준의 ‘전고체전지용 리튬·실리콘 화합물 음극 소재 개발에’ 성공했다. 국립금오공과대 재료공학부 박철민 교수 연구팀이 인하대, 한국전기연구원, 순천대 연구팀과의 공동연구 성과다.

7일 국립금오공과대에 따르면 전고체전지는 모든 구성 요소가 고체로 이루어진 차세대 배터리다. 화재와 폭발 위험이 있는 기존 액체 전해질 기반 리튬이온전지를 대체할 기술로 주목받는다.

전기화학적 성능 및 비교 그래프. 국립금오공대 제공

그러나 실리콘 음극은 충전 또는 방전 시 심각한 부피 팽창과 낮은 이온·전자 전도도, 고체전해질과의 부반응 등의 문제로 전고체전지 적용이 사실상 어렵다는 평가를 받아왔다. 연구팀은 ‘리튬·실리콘 화합물 기반의 완전히 새로운 음극 구조 설계’를 통해 모든 난제를 동시에 해결했다.

박 교수 연구팀은 고도화된 밀도범함수이론 계산을 활용해 다양한 리튬·실리콘 화합물의 구조·전도도 특성을 체계적으로 분석했다. 그 결과 기존 실리콘이나 단순 복합체가 아닌 특정 조성의 리튬·실리콘 화합물 상이 전고체전지 음극에 최적임을 규명했다.

새롭게 개발된 리튬·실리콘 화합물 음극 소재는 충전용량 15.96mAh/㎠, 6분 급속충전 때 2000회 이상 안정적인 사이클을 유지했다. 영하 10도에서부터 80도까지 정상 작동하는 등 초고용량·초고속 충전 및 광범위한 온도 안정성을 확보하며 실리콘 음극의 한계를 넘어선 전고체전지용 소재로 적합성을 입증했다. 연구 결과는 에너지 분야 세계 최고 수준의 국제 학술지 ‘줄(Joule)’의 온라인판에 실렸다.

박 교수는 “리튬·실리콘 화합물을 통해 기존 실리콘 음극의 한계를 효과적으로 보완할 수 있는 새로운 해법을 제시했다”며 “높은 에너지 밀도와 초고속 충전 성능, 낮은 구동 압력이라는 장점을 갖춘 본 기술이 전고체전지의 상용화를 가속화하는 핵심 소재가 될 것”이라고 말했다. 또한 “향후 다양한 전극 소재 연구로 확장해 차세대 배터리 시장을 선도할 원천 기술 확보에 주력할 것”이라고 강조했다.

구미=배소영 기자 [e-mail]