전기연 전고체전지 음극재 연구, 상위 1% 국제 학술지 표지논문 선정

(창원=뉴스1) 강정태 기자 = 한국전기연구원(KERI)은 전고체전지 음극재 관련 연구결과가 에너지 분야 세계 최정상급 저널인 ‘줄(Joule)’의 표지논문으로 선정됐다고 21일 밝혔다.

이 연구는 KERI가 국립금오공대 및 인하대 교수팀과 함께 수행했다.

연구팀이 제시한 음극재는 주석(Sn) 기반의 합금계 소재인 ‘주석-철 화합물(FeSn2)’이다. 연구팀은 면밀한 기계적 특성 분석을 통해 FeSn2가 반복적인 충·방전 시에도 재결합 반응으로 입자가 작아지는 특성이 있다는 것을 파악했다.

이를 통해 전고체전지에서 내부 고체 입자들 간의 접촉을 장기간 밀접하게 유지하고, 치밀·균일한 전극을 형성한다는 것을 확인했다. 외부 자극이 가해지는 환경에서도 FeSn2는 높은 탄성과 변형 에너지를 가지고 있어 균열 없이 전기화학적 안정성도 좋다.

연구팀은 기술 검증을 위해 △FeSn2 음극 △NCM622(니켈6·코발트2·망간2 조합) 양극 △황화물 고체전해질(Li6PS5C1)을 적용한 테스트용 ‘전고체전지 완전 셀(full cell)’을 제작했고, 그 결과 기존 리튬이온전지 대비 5배 높은 ‘면적당 용량(15.54 ㎃h/㎠)’을 달성했다.

또 3분(20C 전류밀도) 및 6분(10C 전류밀도) 시간 조건에서 급속 충·방전도 1000회 사이클 이상 진행했는데, 70~80% 이상 높은 ‘용량 유지율’을 기록했다.

이에 더해 연구팀은 전고체전지 FeSn2 음극을 시제품에 가까운 ‘파우치(pouch) 셀’ 형태로도 적용해 성능을 평가했고, 255Wh/㎏ 이상의 높은 에너지 밀도를 기록하며 상업적 가능성도 증명했다.

KERI 하윤철 차세대전지연구센터장은 “우리의 성과는 기존 리튬금속과 실리콘에 치우쳤던 전고체전지 음극재 연구분야의 관행에서 벗어나 주석 기반 합금계 음극재의 큰 잠재력을 입증했다는 측면에서 의미가 크다”고 말했다.

금오공대 박철민 교수는 “한계를 뛰어넘는 안정적인 고성능 음극재 개발을 통해 불타지 않는 전고체전지 상용화에 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제 학술지인 ‘줄(Joule)’ 10월호 표지논문으로 게재됐다. 줄은 네이처(Nature) 및 사이언스(Science)와 함께 과학 분야 3대 저널로 꼽히는 ‘셀(Cell)’의 에너지 분야 자매지로, 피인용지수(IF) 38.6에 달하는 세계 최정상급 저널이다.

논문 책임 저자는 KERI 하윤철 센터장, 금오공대 박철민 교수, 인하대 환경공학과 전기준 교수가 공동으로 맡았고, 제1저자로는 금오공대 신소재공학과 박사과정 이영한 연구원이 이름을 올렸다. 공동 저자로는 KERI 최정희 전지·소재공정연구센터장, 금오공대 신소재공학부 최인철 교수 및 김도현(박사과정)·윤정명 연구원이 참여했다.

jz1@news1.kr