Functional Energy Materials Laboratory

신원호 교수(전자재료) 연구팀,

고에너지 리튬 메탈 배터리용 복합 고체전해질 기술 개발

- 리튬 메탈 배터리의 안전성과 속도 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 혁신적인 솔루션으로 적용 가능 -

- 화학공학 분야 저명한 국제 학술지 Chemical Engineering Journa(IF: 13.4, JCR 상위 3.1%) 게재 -

본교 신원호 교수(전자재료공학과) 연구팀은 화학공학과 손희상 교수팀, 동의대학교 김성훈 교수팀, 홍익대학교 이동욱 교수팀과 공동연구를 통해, 리튬 메탈 배터리의 안전성과 속도 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 플렉시블 산화물-고분자 복합 고체 전해질 기술을 개발했다.

리튬 메탈 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 약 40% 높은 에너지 밀도를 자랑하며 차세대 배터리 기술로 각광 받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 불균일한 리튬 이온 분포로 수지상(dendrite)이 형성되며 배터리 단락과 화재의 위험을 초래하는 문제가 있었다. 신 교수팀은 리튬 이온의 빠른 이동도를 제공하는 복합 고체 전해질을 설계하여 리튬 이온 분포를 균일하게 조절함으로서 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제하는 기술을 개발했다.

본 연구팀은 독창적인 리튬 이온 전달 경로인 "고속도로-견인 효과(Highway-Traction Effect)"의 메커니즘을 갖는 유무기 복합전해질을 구현했으며 높은 리튬 전달 능력(0.78)과 리튬 이온 전도도(3.26×10-4S/cm)를 갖는 전해질을 개발했다. 복합화된 1차원 구조의 산화물계 전해질 LLZO(리튬·란타넘·지르코늄·산소)은 음이온을 고정하고 연속적인 리튬 이온 전달 경로를 형성하는 '고속도로 효과(Highway effect)'를 제공한다. 또한, 석시노나이트릴(succinonitrile) 첨가를 통해 리튬 이온 이동성을 높이는 '견인 효과(traction effect)'를 이끌어냈다.

개발된 복합 고체 전해질은 플렉시블하고 기계적 복원력이 뛰어난 특성을 나타낸다. 이를 통해 차세대 리튬 메탈 배터리의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 가능성을 열었다. 본 연구팀은 충방전시 LiF와 Li3N이 풍부한 SEI(solid electrolyte interphase) 층이 형성되어 높은 전류의 환경에서도 균일하고 빠른 리튬 이온 전달이 촉진되었으며, 1000시간 이상 안정적인 작동이 가능함을 확인했다. 또한, LFP(리튬인산철) 배터리에서 수지상(dendrite) 형성을 효과적으로 억제하면서 10C의 높은 전류밀도에서도 뛰어난 속도 성능과 용량 유지 특성을 통해 안정성을 입증했다.

이러한 연구 성과는 리튬 메탈 전고체 배터리의 안전성과 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 혁신적인 기술적 도약으로 평가되며, 차세대 에너지 저장 장치의 상용화 가능성을 크게 높일 것으로 기대된다.

이번 연구는 제1저자로 한주영 광운대학교 석사과정, 동의대 김성훈 교수가 참여하였으며, 한국연구재단 기초연구실 개척형 사업(RS-2023-00222124)의 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 ‘Electrospun 1D Al-LLZO incorporated PVDF-HFP composite electrolyte with fast Li path way derived from highway-traction effect for high performance lithium metal batteries’ 제목으로 화학공학 분야의 저명한 국제 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal (IF: 13.4, JCR 상위 3.1%)’에 2025년 1월 15일자로 게재되었다.

Web link: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159627

신원호 교수(전자재료) 연구팀,

차세대 전고체전지 핵심기술 개발

- 결정립계 비정질층 도입을 통한 산화물계 고체전해질 이온전도도 증대 조성 개발 -

- JCR 상위 0.84% 논문 Composite Part B: Engineering 게재 -

광운대학교 전자재료공학과 신원호 교수 연구팀은 경상대학교 문경석 교수 연구팀과 공동연구를 통해 최근 전기차 시장에서 이슈로 부각되는 배터리 폭발사고의 위험을 해결하고자 산화물계 고체전해질 중 NASICON 구조인 Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3(LATP)의 이온전도도 증대를 위한 입계 비정질층을 구현해 차세대 배터리 기술인 전고체전지의 고체전해질 핵심기술을 개발했다.

전고체전지는 기존 액체전해질을 고체로 전환해 안정성을 높인 차세대 배터리 기술로, 액체전해질을 대체할 수 있는 높은 이온전도도의 고체전해질 개발이 필요하다. NASICON 구조의 LATP는 우수한 이온전도도와 화학 및 환경적 안정성, 비용 효율성으로 차세대 전고체전지의 유망한 고체전해질 중 하나로 평가받고 있다.

이온전도도를 향상시키고 결정립계 구조를 제어하기 위해 신원호 교수 연구팀은 LATP 합성 중 GeO2를 도입해 LATP의 결정립계에서 자발적으로 비정질층을 형성시켜 이온전도도를 높이는 방법을 개발했다. 비정질 필름은 소결 중 액체상으로 결정립계를 따라 침투해 결정립 성장과 같은 미세 구조 진화의 동역학에서 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 계면 이온전도도를 개선하는 역할을 한다.

신원호 교수 연구팀이 개발한 고체전해질은 8.92×10-4S/cm의 높은 이온전도도를 보여 기존 액체전해질과 별다른 차이를 보이지 않았는데, 이는 결정립계에서 Ge가 풍부한 비정질 상의 형성이 리튬 이온의 이동을 크게 향상시킨다는 것을 보여준다. 개발된 고체전해질을 이용해 신원호 교수 연구팀이 대칭 셀을 제작했으며, 액체전해질을 배제하고도 ~0.46V의 낮은 과전압으로 500시간 이상 안정적으로 작동되는 것이 확인됐다. 이는 Li 금속과 접촉해도 우수한 전기화학적 안정성을 보여주며 차세대 전고체전지의 핵심 고체전해질 기술로 활용될 것으로 기대된다.

이 연구는 한국연구재단 기초연구실개척형사업과 중견연구사업의 지원으로 수행됐으며 광운대학교 전자재료공학과 석사과정 신슬기, 강성현 학생이 제1저자로 참여했다. 연구결과는 공학분야 세계 최고 수준(JCR ranking 상위 0.84%)의 학술지 ‘Composites Part B : Engineering(IF: 13.1)’ 2024년 7월호에 게재됐다.

Web link: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111478 

광운대학교(총장 김종헌) 전자정보공과대학 전자재료공학과 신원호 교수 연구팀은 본교 전자융합공학과 김정현 교수팀, 화학공학과 손희상 교수팀, 단국대학교 에너지공학과 원종호 교수팀과 공동으로 과학기술정보통신부·한국연구재단이 지원하는 ‘기초연구실(BRL, Basic Reaearch Laboratory) 지원사업’의 개척형 신규과제에 선정돼 향후 3년간 총 13억 7,500만 원의 연구비를 지원받아 과제를 수행한다고 밝혔다.

‘기초연구실 지원사업’의 개척형 분야는 국내에서 거의 시도되지 않은 새로운 분야의 창의적 및 도전적 연구 지원을 통해 역량 있는 젊은 연구자의 성장 지원을 하는 사업이다.

본 기초연구실 연구팀은 탄소중립을 위한 이산화탄소 포집/활용/저장(CCUS, CO2 capture, utilization, and storage) 기술의 일환으로 이산화탄소와 고반응성 전이금속을 이용하여 고부가가지 탄산염 세라믹스를 제조하고 이를 에너지 분야로 활용하는 기술을 개발할 예정이다. 총괄책임자인 신원호 교수는 “본 연구는 기존의 이산화탄소를 이용한 탄산염 기술은 그 활용성이 제한적으로 다양한 분야에 활용이 되지 못했으나, 본 과제를 통한 고부가가치의 탄산염 세라믹 제조 및 활용 기술 개발을 통해 이산화탄소의 실질적 배출을 상당 수준 저감시킬 수 있으며, 탄소중립 사회로의 전환을 가능케하는 획기적인 기술이 될 것이다”라고 소개했다.

한편 한국연구재단이 지원하는 2023년도 기초연구실 집단연구지원사업에는 예년보다 많은 700개의 팀이 지원했으며, 창의적이고 도전적인 연구를 수행하는 개척형 분야에는 총 33개의 팀이 선정됐다.