영남대학교(총장 최외출)는 강미숙 화학과 교수 연구팀이 고속충전 양극소재와 고성능 자성 음극 소재 등 차세대 리튬이온전지 분야에서 세계적으로 주목받는 연구 성과를 거뒀다고 23일 밝혔다.

강 교수 연구팀은 우선 고속충전 배터리의 성능을 떨어뜨리는 주요 문제 중 하나인 '전극-전해질 계면(CEI)의 불안정성'을 해결했다. 연구팀은 알루미늄(Al), 플루오린(F), 탄소(C) 세 가지 원소를 동시에 코팅하는 방법으로, 리튬불화물(LiF)이 균일하게 성장하는 계면층을 만들어냈다.

강미숙 영남대 교수

이를 통해 리튬이온이 빠르고 안정적으로 이동할 수 있도록 했으며, 기존보다 10배 빠른 충전 속도에서도 안정적인 성능을 유지하는 배터리 전극을 개발했다. 이 기술은 리튬인산철(LFP) 양극 소재에 적용돼 초고속 충전 환경에서도 2000회 이상 성능을 유지하는 것으로 확인됐다.

또 니켈계 고용량 양극(NCM)에도 확장 적용이 가능함을 입증했다. 이번 연구는 강미숙 교수와 유지영 경북대 교수가 공동 교신저자로, 문호준 영남대 화학과 석사과정 졸업생이 제1저자로 참여했다. 연구성과는 최근 '에너지 스토리지 머티리일즈(Energy Storage Materials)'에 실렸다.

강 교수 연구팀은 또 친환경 업사이클링 기술을 활용해 배터리 음극 소재도 개발하는데 성공했다. 연구팀은 메탄 열분해 반응 후 발생한 철 내포 탄소 나노 구조체(Fe@C900) 촉매 잔여물을 재활용해 새로운 음극 소재를 만들었다.

이 소재는 자성을 가진 철 코어와 양파모양탄소(onion-like carbon) 쉘 구조를 가지고 있으며, 외부 자기장을 활용해 리튬이온의 확산 경로를 스핀 정렬시켜 도전재 없이도 기존 그라파이트 음극 소재보다 150% 향상된 성능을 구현했다.

이 연구는 촉매 잔여물을 고부가가치 소재로 탈바꿈시켰다는 점에서 환경 보호와 기술 혁신이라는 두 가지 목표를 동시에 달성했다는 평가다. 강미숙 교수와 김기현 물리학과 교수가 공동 교신저자로, 고명석 화학과 석사과정 졸업생이 제1저자로 참여했으며, 연구성과는 최근 국제학술지 '어드벤스드 사이언스(Advanced Science)'에 게재됐다.

이 두 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 2019년도 선정 지역혁신선도연구센터(자율형 자동차 부품소재 청색기술 선도연구센터·센터장 주상우) 지원을 받아 수행됐다.

강미숙 교수는 “양극 소재의 인터페이스 설계와 폐촉매 업사이클링 기반 음극 자성체 소재 개발이라는 상반된 전략으로 차세대 에너지 저장 기술의 가능성을 넓히고자 했다”며, “앞으로도 초고용량·초고속 충전이 가능한 신개념 양극재와 음극재 분야, 더 나아가 자유롭게 상전이가 가능한 고체전해질 분야에서 세계적인 경쟁력을 이어가겠다”고 말했다.

대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com

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