리튬이온 배터리 기술 개발, 포스텍

리튬이온 배터리 기술 개발, 포스텍

 

> 김원배 교수, “커피 한 잔 마시는 사이 완충“…초고속·고용량 배터리 음극재

> 박수진 교수, 리튬이온 배터리 기술 개발로 고전압,장기 수명을 동시에 구현
> 서종철 교수, 고체전해질 대량생산 기술 개발로 전고체전지 상용화 앞당길 전망
> 박문정 교수, 리튬 이온 배터리 성능 극대화 기술 개발로 차세대 배터리 혁신 기대

 

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[미래를 창조하는 포스텍 화학공학과 학교전경]

 

리튬이온 배터리 기술 개발, 포스텍

 

> 김원배 교수, “커피 한 잔 마시는 사이 완충“…초고속·고용량 배터리 음극재

> 박수진 교수, 리튬이온 배터리 기술 개발로 고전압,장기 수명을 동시에 구현
> 서종철 교수, 고체전해질 대량생산 기술 개발로 전고체전지 상용화 앞당길 전망
> 박문정 교수, 리튬 이온 배터리 성능 극대화 기술 개발로 차세대 배터리 혁신 기대

 

김원배 교수, “커피 한 잔 마시는 사이 완충“…초고속·고용량 배터리 음극재

[고속으로 충전되면서 고용량인 배터리 음극재를 개발한 연구 결과가 담긴 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 표지. 포스텍 제공]

 

국내 연구진이 고속으로 충전되면서 고용량인 배터리 음극재를 개발했다. 연구팀은 이 소재가 향후 전기차를 빠르게 충전하는 데 활용 될 수 있을 것으로 기대했다.

포스텍은 김원배 화학공학과·배터리공학과 교수 연구팀이 ‘망간(Mn)-철(Fe) 산화물’ 음극재에 고극성의 불소화 계면층을 도입해 고용량과 안정성을 갖춘 음극 소재를 개발했다고 26일 밝혔다.

 

전기차 시장이 급성장하면서 높은 용량과 안정성을 갖춘 배터리를 위해 ‘강자성 전환 음극재’가 주목받는다. 강자성 전환 음극재는 배터리 충·방전 과정에서 금속 산화물이 나노 크기의 강자성 금속으로 변환되며 일반 음극재에 비해 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있다. 이론 용량을 뛰어넘는 고에너지밀도 배터리를 구현할 잠재력이 있지만 강자성 전환 음극재는 비가역적 용량 손실, 불안정한 계면 형성, 낮은 전도도 등의 한계가 있다.

연구팀은 이번 연구에서 갈바닉 치환 반응을 이용해 망간(Mn)-철(Fe) 이종 산화물을 합성한 후 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF))로 용액상 코팅을 진행했다. 탄화 과정을 통해 고극성의 ‘불소화 탄소 계면층’을 만들었다. 갈바닉 치환 반응은 고체 금속이 다른 금속 이온과 접촉할 때 전자가 이동해 한 금속이 다른 금속 이온으로 대체되는 반응이다.

계면층을 적용한 소재는 불소의 강한 전기적 특성을 이용해 표면 극성을 높이고 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있다. 강자성 전환 반응에서 발생하는 ‘스핀-분극화된 커패시턴스’를 극대화해 소재의 이론 용량을 초과하는 높은 용량을 구현했다. 플루오린화 리튬(LiF)이 풍부한 고체 전해질 계면(SEI)을 실시간으로 형성해 전극 내 이온과 전자 전달을 촉진하고 내구성을 강화하며 부피 변화로 인한 응력도 효과적으로 완화했다. 

 

실험에서는 약 3분 이내의 급속 충전 조건에서도 상용화 음극재 대비 최소 140% 이상 향상된 성능을 보였다. 300번의 급속 충·방전 사이클 후에도 92% 이상의 용량 유지율을 기록하며 안정성을 확보하는 데도 성공했다.

연구를 이끈 김원배 교수는 “고극성 계면 제어 기술을 통해 고에너지밀도 음극재의 한계를 극복하고 새로운 접근법을 제시했다”며 “전기차의 주행거리, 내구성, 충전 속도를 모두 향상시킬 중요한 기술적 기반이 될 것”이라고 기대했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 최근호의 앞표지 논문으로 게재됐다. [발췌: 동아사이언스]

 

박수진 교수, 리튬이온 배터리 기술 개발로 고전압,장기 수명을 동시에 구현

포스텍 박수진 교수 연구팀은 한국과학기술원(KAIST) 및 서울대와 공동으로 리튬이온배터리의 내구성과 고전압 구동을 동시에 향상시킬 수 있는 혁신적인 기술을 개발하였습니다.

이 연구에서는 물을 기반으로 한 전해질을 사용하여 화재 위험성을 크게 감소시키면서도 배터리 성능을 극대화하는 방법을 제시하였습니다. 특히, 아세트아미드를 사용한 삼원계 공융 전해질을 개발하여 물 분자의 화학적 안정성을 높이고, 이를 통해 전해질의 전기화학적 창을 넓혔습니다. 이 과정에서 물 분자를 리튬 이온의 주변에 안정적으로 가두어 자유 물 분자의 양을 줄이는 동시에 수소 결합 네트워크를 효과적으로 제어하였습니다.

연구팀은 이 새로운 전해질을 이용하여 리튬 이온 배터리의 전압 창을 기존의 1.23V에서 3.1V 이상으로 대폭 확장할 수 있었으며, 이를 통해 배터리의 수명과 성능이 크게 향상되었습니다.

추가적으로, 연구팀은 수소 발생 반응을 유도하여 리튬 플루오라이드 기반의 고체 전해질 계면을 형성하였고, 이 계면은 전자의 이동을 효과적으로 억제하여 물 분해를 방지하며, 장기적으로 배터리의 안정성을 크게 향상시켰습니다.

이번 연구는 특히 전기차 및 에너지 저장 시스템에서 요구되는 높은 안전성과 성능을 갖춘 배터리 기술 개발에 중요한 기여를 하였습니다. 박수진 교수는 이 기술이 친환경적이며 안전한 리튬이온 배터리 기술의 발전을 앞당길 중요한 발판이 될 것이라 강조하며, 불에 타지 않는 안전한 전해질을 적용한 수계 리튬이온 배터리가 미래 배터리 기술의 새로운 표준이 될 수 있을 것으로 전망하였습니다.

이러한 연구는 또한 배터리 기술의 상용화를 가속화하고, 에너지 저장 분야에서의 새로운 솔루션을 제공할 것으로 기대됩니다.[발췌: 전자신문]

 

서종철 교수, 고체전해질 대량생산 기술 개발로 전고체전지 상용화 앞당길 전망

 

서종철 포스텍 교수와 연구팀은 KAIST, 대주전자재료와 공동으로 전고체전지의 핵심 소재인 황화물계 고체전해질을 효율적으로 대량 생산할 수 있는 업그레이드형 공침법을 개발했습니다.

이 방법은 고체전해질의 제조 시간을 대폭 줄이면서 품질을 높이는 데 기여하며, 기존의 고비용 공정을 개선하여 더 경제적인 생산이 가능하게 합니다.

공침법은 원료를 용액에 녹인 후 침전시키고 필터링하는 단계로 구성되며, 이 과정에서 리튬, 황, 촉매를 적절한 비율로 혼합하여 효과적인 침전을 도모합니다.

이 연구는 고체전해질 제조의 새로운 표준을 제시하며, 전고체전지의 상용화를 가속화할 것으로 기대됩니다. [발췌: 조선비즈]

 

박문정 교수, 리튬 이온 배터리 성능 극대화 기술 개발로 차세대 배터리 혁신 기대

 

포스텍 화학과 융합대학원의 박문정 교수와 연구팀은 리튬 이온 배터리 성능을 극대화하는 새로운 기술을 개발했다고 발표했습니다. 이 기술은 전해질의 핵심 문제인 기계적 강도와 이온 전도도 사이의 균형을 해결하기 위해 매우 적은 양의 리튬염을 사용하여 이온 전도도와 기계적 물성을 동시에 향상시켰습니다. 특히, 리튬염을 PS-b-PEO 블록 공중합체에 추가해 고분자 말단의 하이드록시 그룹에 선택적으로 위치시키는 혁신적인 방법을 사용했습니다.

 이 연구는 '배관공의 악몽' 구조를 형성하여, 고분자 사슬의 여섯 개 채널이 모두 연결되어 리튬 이온이 안정적인 이온 통로를 제공받을 수 있도록 했습니다. 이 구조 덕분에 이온의 이동 경로와 고분자 배열 구조 사이의 상호작용이 극대화되어, 이온 전도 효율이 기존 층상 구조보다60배 이상 향상되었습니다.

 

이로 인해 이온이 이동하기 위해 넘어야 하는 에너지 장벽도 열 배 이상 감소하였으며, 저온에서도안정적인 이온 전도성을 유지할 수 있게 되었습니다.

박문정 교수는 이번 연구가 차세대 전고체 배터리 개발의 전환점이 되기를 바란다고 말했으며,이 연구는 ACS 나노(ACS Nano)'에 게재되었습니다. [발췌: 전자신문]

 

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