국립금오공과대학교는 최근 박철민 재료공학부(신소재공학전공) 교수 연구팀이 인하대학교, 한국전기연구원(KERI), 순천대학교 연구팀과 함께 세계 최고 수준의 전고체전지용 리튬(Li)-실리콘(Si) 화합물 음극 소재를 개발했다고 9일 밝혔다.
연구진은 전고체전지를 적용하기 어려웠던 실리콘(Si) 음극의 문제인 △부피 팽창 △낮은 이온·전자 전도도 △고체전해질과의 부반응 △50 MPa 이상의 높은 구동 압력 요구 등을 동시에 해결했다.
박 교수팀은 밀도범함수이론(DFT)을 활용해 다양한 리튬-실리콘 화합물의 구조·전도도 특성을 분석했다. 그 결과 특정 조성의 Li-Si 화합물 상이 전고체전지 음극에 적합함을 확인했다.
특히 Li7Si3 상은 매우 높은 이온·전자 전도도와 충·방전 과정에서 거의 부피 변형이 없는 반응 메커니즘, 황화물계 고체전해질과의 상호 적합성을 갖춘 것으로 나타났다.
연구팀은 △Li7Si3 음극 △NCM622 양극 △Li6PS5Cl(황화물계 고체전해질)로 구성된 전고체전지 풀셀을 제작해 성능을 검증했다. 그 결과 △면적용량 15.96 mAh/cm2 달성 △6분 급속충전 조건에서 2000회 이상 안정적 사이클 유지 △-10℃~80℃ 온도 범위에서 안정적 작동 △파우치셀 제작 성공 등의 성과를 달성했다.
박 교수는 "기존 실리콘 음극의 구조적·전기화학적 한계를 보완할 수 있는 새로운 해법을 제시했다. 이 기술은 전고체전지의 상용화를 가속하는 핵심 소재가 될 것"이라며 "다양한 전극 소재로 연구를 확장해 차세대 배터리 시장을 선도할 원천 기술을 확보하겠다"고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 '중견연구자지원사업'과 '중점연구소 사업'의 지원을 받아 수행됐다.
금오공대에서는 주 교신저자인 박 교수를 비롯해 제1저자 김도현 박사과정과 공동저자 최인철 교수, 윤정명·이영한 박사과정 연구원, P. 톤다이만 박사후연구원 등이 참여했다.
연구 결과는 'Li-Si compound anodes enabling high-performance all-solid-state Li-ion batteries'라는 제목으로 에너지 분야 국제학술지 'Joule'(IF=35.4) 온라인판에 게재됐다.
