김민경 교수(전자재료공학과) 연구팀,

철 기반 양극재 적용 저가격 고에너지 리튬이차전지 개발

- 철 기반 고용량 변환형 양극재 합성법 및 마이크로 입자 활용 기술 개발-

- 변환형 양극재와 리튬메탈 음극에 적합한 전해질 개발-

본교 전자재료공학과 김민경 교수 연구팀(사진)이 철 기반 양극재 적용 저가격 고에너지 리튬이차전지를 개발했다.

리튬 이온 배터리는 다양한 응용 분야에서 중요한 에너지 저장 장치로 주목받고 있으며 안전성, 저가격, 높은 에너지밀도의 차세대 배터리를 목표로 개발되고 있다. 변환형(conversion-based) 배터리는 높은 에너지 밀도로 유망한 후보로 여겨지며, 그중 불화철(iron fluoride, FeF2)은 저비용과 높은 에너지 밀도의 장점을 지닌다. 그러나 합성 공정의 한계와 낮은 리튬/전자 전도성 및 사이클 안정성 문제를 가지고 있고, 이를 해결하기 위해 나노입자를 개발이 일반화 되어있다.

나노입자의 부피당 에너지밀도를 감소시키고 상용화를 위해서는 큰 입자사이즈 개발이 반드시 수반되어야 하나, 입자크기가 커질수록 반응성이 낮아지기 때문에 가역용량이 낮아지는 한계가 존재한다. 이에 본 연구팀에서는 FeF2의 마이크로 크기의 소재를 합성하고 소재 내부 다공성을 통해 반응성을 높여 높은 용량을 가지는 소재를 개발했다. 또한 충방전시 소재 열화원인을 분석하고 집전체 개선과 전해질 개발을 통해 높은 수명 안정성을 달성했다.

이번 연구는 최치원, 윤현민(전자재료공학과) 석사 1년차 학생의 공동 작업 결과물로 학부연구생부터 참여하여 이룬 성과이다. 연구 결과는 ‘Achieving High Stability and Capacity in Micron-Sized Conversion-Type Iron Fluoride Li-Metal Batteries’ 제목으로 우수 학술지인 Advanced Science (IF=14.3, JIF=93.5%)에 게재되었다.

김민경 교수는 “차세대 리튬 금속 배터리 개발에 중요한 기여를 하며, 변환형 금속 플루오라이드의 실용화를 위한 새로운 방향성을 제시한 것에 그 의미가 있다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 NRF 우수신진연구자 사업, 한국 산업기술평가원(2022R1C1C1011543), 포스코 청암연구재단의 지원을 받아 연구되었다. 또한 최치원 학생이 수여한 NRF 석사과정생연구장려지원금의 지원을 받아 연구되었다.