박철민 금오공대 교수팀, 불타지 않는 전고체전지 개발

높은 에너지 밀도와 우수한 사이클, 안전성 확보...기존 전고체전지 한계 극복
파우치형 황화물계 전고체전지 성능 평가 통과 '상용화 가능성 입증'

박철민 금오공대 신소재공학부 교수, 이영한 박사과정, 전기준 인하대 교수, 하윤철 한국전기연구원 박사.(왼쪽부터)/사진제공=금오공대

국립금오공과대학교는 최근 박철민 신소재공학부 전지신소재연구실(Advanced Battery Materials Lab.) 교수팀이 세계 최고의 성능과 우수한 안전성을 갖춘 전고체전지를 개발했다고 24일 밝혔다.

박 교수(책임저자)와 이영한 박사과정(제1저자)은 최인철 신소재공학부 교수, 김도현·윤정명 박사과정과 전기준 인하대 환경공학과 교수, 하윤철·최정희 한국전기연구원 박사 등과 함께 연구를 수행했다.

리튬이온 이차전지는 가연성 유기 용매를 사용한 액체 전해질로 인해 화재 및 폭발 위험이 있다. 이를 해결하기 위해 전고체전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있지만 고성능 음극 소재 개발과 관련된 난관에 부딪혔다.

박 교수팀은 주석(Sn) 기반의 합금계 소재인 철-주석 화합물(FeSn2)을 전고체전지용 음극소재로 제안했다. 연구팀은 합금계 음극소재의 전기화학적 반응으로 인한 부피 변화로 발생하는 성능 열화를 극복하기 위해 합금계 음극소재의 기계적 특성을 분석했다. 특히 외부 압력이 가해지는 환경에서 음극소재의 기계적 특성이 어떤 전기화학반응을 초래하는지에 집중했다.

연구진은 FeSn2가 다른 합금계 음극 소재와 달리 충·방전 과정에서도 공극 및 균열을 일으키지 않는다는 사실을 발견했다. 이는 FeSn2가 적절한 연성-취성 및 높은 탄성-소성 변형에너지를 가지며, 반복적인 충·방전 사이클에도 재결합 반응을 통해 결정립의 크기가 감소하기 때문이다. 또 외부 압력이 가해지는 환경에서 높은 탄성-소성 변형에너지가 충·방전 중 형성된 공극을 메워 입자 간 접촉을 장기간 유지할 수 있다는 것도 증명했다.

박 교수팀은 FeSn2 음극소재를 활용해 NCM622 양극과 황화물 고체전해질(Li6PS5Cl)을 적용한 완전셀(Full Cell)을 제작했다. 높은 면적 용량(15.54mAh/cm2)과 높은 에너지밀도(>200Wh/kg)를 달성했으며, 고속 충전 조건에서 1000회 이상 뛰어난 사이클 안정성을 보였다. 파우치형 전고체전지 성능 평가에서도 255Wh/kg 이상의 높은 에너지밀도를 기록해 상업적 가능성까지 확보했다.

박 교수는 "리튬 금속계 음극 및 무음극 기반의 음극 소재 개발에 치우친 기존 전고체전지 연구에서 벗어나 새로운 가능성을 제시했다. 전고체전지 상용화를 위한 고성능 음극소재 개발에 큰 도움이 될 것"이라며 "최적화된 고성능·고안전성 전고체전지를 개발하기 위해 후속 연구를 이어가겠다"고 말했다.


한편 이번 연구는 '4단계 BK21사업'과 한국연구재단의 '중견연구자지원사업', 한국전기연구원의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 'Empowering all-solid-state Li-ion batteries with self-stabilizing Sn-based anodes'(자체 안정화된 주석계 음극으로 강화된 리튬이온 전고체전지)라는 제목으로 에너지 분야 국제학술지 '줄'(Joule, IF=38.6) 온라인판에 게재됐다.

박철민 금오공대 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=금오공대