국립금오공과대학교는 최근 박철민 신소재공학전공 교수 연구팀이 전고체 리튬전지의 핵심 난제인 리튬 수지상 형성과 계면 불안정성 문제를 해결할 수 있는 고성능 리튬 화합물 음극 소재를 개발했다고 17일 밝혔다.
액체 전해질이 없는 전고체전지는 화재 위험이 낮아 차세대 배터리로 꼽히지만, 리튬 금속 음극 사용 시 표면에서 나뭇가지 형태의 리튬이 자라나는 수지상 현상이 발생해 성능이 저하되는 한계가 있었다. 박 교수팀은 리튬-갈륨(Li-Ga) 화합물 기반 음극 소재를 통해 이를 극복했다.
연구팀은 DFT(밀도범함수이론) 시뮬레이션 분석으로 리튬-갈륨 이원계 화합물 중 열역학적으로 가장 안정적인 LiGa 단일 화합물을 최적 소재로 선정했다. LiGa는 결정 구조 내에 다수의 리튬 확산 채널을 보유하고 있어 우수한 이온과 전자 전도도를 동시에 확보할 수 있는 구조다.
상용화의 걸림돌인 고압 구동 문제도 해결했다. 기존 합금계 음극은 20MPa 이상의 압력이 필요해 제조 비용이 높았으나, 이번에 개발한 소재는 3MPa의 낮은 압력에서도 완벽한 계면 안정성을 보였다. 이는 외부 가압 장치를 줄여 배터리 팩의 에너지 밀도를 높일 수 있는 기술이다.
연구진이 제작한 전고체전지 풀셀은 면적당 용량 14.47mAh/㎠를 달성했으며, 저압 조건에서 수백회 이상 충·방전해도 수지상 없이 안정적인 수명을 유지했다. 상온과 55℃ 고온 환경 모두에서 구동 성능을 검증했고, 파우치셀 테스트로 대면적 적용 가능성도 입증했다.
박 교수는 "저압 조건에서 고용량과 안전성을 확보할 수 있는 전극 구조를 제시했다"며 "다양한 전극 시스템으로 기술을 확장해 전고체전지 상용화를 앞당기는 연구를 이어갈 것"이라고 전했다.
한편 이번 연구를 수행한 박 교수팀은 교신 저자인 박 교수를 비롯해 공동 제1저자인 윤정면 연구원과 톤다이만 박사, 김도현 박사후 연구원, 이영한·한제현 박사과정 연구원 등으로 구성됐다. 이들은 한국연구재단과 금오공대 슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받았다.
연구 결과는 'Highly Conductive and Dendrite-Free Li-Ga Compound Anodes for High-Performance Lithium All-Solid-State Batteries'(고전도성 및 수지상 성장 억제 Li-Ga 화합물 음극을 이용한 고성능 전고체 리튬전지)라는 제목으로 에너지·소재 분야 국제 학술지 'Advanced Energy Materials' 3월호(표지 논문)에 게재됐다.
