Research

화공/배터리 조창신 교수 연구팀, “전기차 배터리 속에도 내진 설계가 있다?“ 구조 무너뜨리는 충전, 원자 기둥이 막았다

[고니켈 양극재 내부에 구조 지지대 만드는 기술 개발] 지진이 나도 무너지지 않는 건물에는 비밀이 있다. 곳곳에 튼튼한 기둥을 세워 흔들림을 버티게 만든 구조다. 그런데 이런 원리를 전기차 배터리에도 적용할 수 있다면 어떨까. 국내 연구진이 배터리 양극재 내부에 '원자 수준의 기둥'을 세워, 충전을 거듭해도 무너지지 않는 배터리 소재를 만드는 데 성공했다. POSTECH 화학공학과·배터리공학과 조창신 교수, 배터리공학과 박사과정 오지웅 씨 연구팀이 전기차 배터리의 핵심 소재인 고니켈 양극재의 구조를 안정시키는 기술을 개발하고, 관련 연구 결과를 에너지 저장 분야 국제 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)'에 게재했다. 전기차 배터리 성능은 양극재에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 그중 '고니켈 양극재'는 적은 양으로도 많은 에너지를 저장할 수 있어, 전기차와 차세대 에너지저장장치 핵심 소재로 꼽힌다. 문제는 니켈을 많이 넣을수록 충방전 과정에서 결정 구조가 불안정해지면서 배터리가 오히려 잘 망가진다는 점이다. 특히, 높은 전압으로 충전할 때 양극재 내부 원자 배열이 한쪽으로 수축하는데, 이때 산소가 빠져나오면서 미세한 균열이 생겨 배터리 용량 감소와 안전성 저하를 유발했다. 기존에는 몰리브덴(Mo)처럼 강한 양전하를 띠는(산화수가 높은) 원소를 이용해 구조를 붙잡아 두려 했지만, 이러한 원소들이 주로 양극재 입자 가장자리에 몰려 있어, 정작 안쪽까지는 손을 쓰지 못했다. 건물 외벽만 보강하고 내부 골조는 손대지 못한 셈이다. 연구팀은 발상을 바꿔 특정 부위만 보강하는 대신, 양극재 입자 전체에 골고루 힘을 실어주는 방법을 개발했다. 연구팀은 양이온 계면활성제인 ‘CTAB(세틸트라이메틸암모늄 브로마이드)’를 이용해 몰리브덴 이온(Mo⁶⁺)을 양극재 입자 구석구석까지 고르게 퍼뜨리는 데 성공했다. 그 결과 양극재 내부에서 니켈 이온이 리튬층 사이사이에 일정한 간격으로 자리 잡는 '양이온 앵커링(cation anchoring)' 구조가 만들어졌다. 이처럼 규칙적으로 배열된 니켈 이온은 건물 곳곳에 세운 기둥처럼 배터리 충전 시 발생하는 격자 수축을 곳곳에서 붙잡아 줄 수 있다. 분석 결과, 이 '원자 기둥' 구조는 입자 일부가 아니라 전체에 걸쳐 고르게 형성된 것으로 확인됐다. 연구팀이 만든 코발트 없는(Co-free) 고니켈 양극재는 높은 전압에서도 구조가 잘 무너지지 않았고, 300번을 충전하고 방전해도 처음 용량의 약 90%를 그대로 유지했다. 또한, 산소가 빠져나오면서 생기는 가스 발생량도 크게 줄어, 수명과 안전성을 동시에 잡았다. 가격이 비싸고 자원 확보도 쉽지 않은 코발트를 빼고도 오래 버티는 배터리를 만들 수 있다는 것은 전기차 산업에 반가운 소식이다. 배터리 원가를 낮추면서도 수명과 안전성은 오히려 높일 수 있는 길이 열린 셈이기 때문이다. 연구를 이끈 조창신 교수는 "새로운 원소를 무작정 추가하는 방식에서 벗어나, 양극재 내부의 원자 배열 자체를 정밀하게 제어해 소재의 안정성을 높였다"라며 "차세대 고에너지 밀도 전기차 배터리 수명과 안전성을 동시에 끌어올리는 새로운 설계 원리가 될 것으로 기대한다"라고 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구, 산업통산부 AI 및 실시간 측정 기술 과제, 한국산업기술진흥원 배터리특성화대학원 과제 지원으로 수행됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105271

화공/배터리 김원배 교수 연구팀, 배터리 속 ‘셔틀 효과’ 잡고 2,000번 충전도 거뜬

[코발트·철 공동 도핑으로 촉매 전자구조 정밀 제어… 반응 속도·수명 동시 향상] 전기차 주행거리를 늘릴 차세대 배터리로 주목받는 리튬-황 전지 문제는 충전과 방전을 반복할수록 성능이 빠르게 떨어진다는 점이다. POSTECH 연구진이 배터리 안에 들어가는 촉매의 '전자 구조'를 정교하게 조절해, 리튬-황 전지의 반응 속도는 높이고 수명을 갉아먹던 고질적인 문제는 억제하는 기술을 개발했다. POSTECH 화학공학과·친환경소재대학원 배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 통합과정 지준혁 씨 연구팀이 수행한 이번 연구 결과는 재료과학 분야 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 게재됐다. 리튬-황 전지는 상용화된 리튬이온전지보다 훨씬 많은 에너지를 저장할 수 있어, 전기차와 대용량 에너지저장장치를 이끌어갈 차세대 주자로 꼽혀 왔다. 문제는 충방전을 반복하는 동안 만들어지는 중간물질인 '리튬 폴리설파이드(Li2S)’다. 이 물질이 전해액 속을 둥둥 떠다니며 양극과 음극 사이를 제멋대로 오가는 '셔틀 효과(Shuttle Effect)1)' 현상이 발생하는데, 정해진 노선만 오가야 할 셔틀버스가 갑자기 아무 데나 들쑤시고 다니는 것과 같다. 그로 인해 전기를 만드는 데 써야 할 활성 물질이 새어나가고, 배터리 수명은 빠르게 줄었다. 게다가 황은 전기가 잘 안 통해 반응 속도가 느리다는 점도 상용화의 발목을 잡아 왔다. 연구팀은 촉매 '전자 구조'에서 이 셔틀을 노선안에 얌전히 붙잡아 둘 방법을 찾았다. 기존 이황화몰리브덴(MoS₂) 촉매에서 몰리브덴 일부를 코발트(Co)와 철(Fe)로 동시에 바꿔 넣는 '공동 도핑' 방식을 적용한 것이다 두 금속을 함께 넣자, 촉매 내부 전자 분포가 재배열되면서 리튬 폴리설파이드와 촉매가 서로 붙잡는 힘이 딱 적절한 상태가 만들어졌다. 너무 세게 붙잡으면 반응이 굼떠지고, 너무 약하게 붙잡으면 셔틀 효과를 막을 수 없는데, 그 균형점을 찾아낸 셈이다. 덕분에 황의 반응은 빨라지고, 전자와 리튬 이온이 원활하게 이동하면서 배터리 효율과 수명이 향상됐다. 결과는 기대 이상이었다. 연구팀이 만든 촉매를 적용한 리튬-황 전지는 고속 충방전 조건(10C2))에서 2,000번 충방전을 거치는 동안 사이클당 용량 감소율이 0.024%에 그쳤다. 특히, 높은 황 함량과 적은 전해액 등 실제 배터리와 비슷한 조건에서도 우수한 성능을 유지해, 상용화 가능성도 확인했다. 전기차 주행거리 경쟁이 한창인 요즘, '얼마나 멀리 가느냐'만큼이나 '얼마나 오래 쓸 수 있느냐'가 중요하다는 사실을 다시 한번 일깨워준다. 김원배 교수는 "촉매의 전자 구조를 원자 수준에서 정밀하게 설계하면 배터리 충방전 성능과 수명을 동시에 끌어올릴 수 있다는 것을 증명했다"라며, "고성능 리튬-황 전지를 위한 새로운 촉매 설계 기준을 제시한 만큼 차세대 에너지저장 장치의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것"이라고 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 선도연구센터, 과학기술정보통신부 중견연구사업, 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업 지원으로 수행됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.73445 1. 셔틀 효과 (Shuttle effect) : 리튬-황 전지의 방전 과정에서 생성된 다황화물(Polysulfides)이 전해액에 녹아 양극과 음극 사이를 왕복하며 반응하는 현상. 이로 인해 활물질이 손실되고 전지 수명이 크게 저하된다. 2. C(C-rate): 충·방전 속도를 의미한다. 1C는 배터리를 60분 만에 완전히 충전하거나 방전하는 속도를 의미하며, 2C는 30분, 5C는 12분, 10C는 약 6분 만에 충전·방전하는 매우 빠른 속도를 말한다.

배터리/화공 조창신 교수 연구팀, "물만 빼면 된다?" 배터리 망친 진짜 범인 찾았다

[프러시안 블루 성능 저하 원인 규명… 결정수 아닌 표면 산화가 핵심 요인] 젖은 옷을 말리려다 옷감이 상하는 것처럼, 차세대 배터리 소재도 배터리 성능 저하의 주범인 ‘물’을 제거하는 과정에서 오히려 배터리 수명이 줄어드는 문제가 있었다. 그런데 국내 연구진이 물을 제거하는 과정에서 발생하는 ‘표면 산화’가 진짜 범인임을 밝히고, 이를 해결할 새로운 탈수 공정을 개발하는 데 성공했다. POSTECH 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수, 배터리공학과 박사과정 장승혜 씨 연구팀이 수행한 이번 연구는 재료 분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 최근 게재됐다. 전기차와 에너지저장장치(ESS) 분야 시장이 빠르게 성장하면서 배터리 원료 확보 경쟁도 치열해지고 있다. 나트륨 이온전지는 리튬보다 원료가 풍부하고 가격이 저렴해 차세대 배터리 후보로 주목받고 있다. 특히, 철을 기반으로 한 ‘프러시안 블루(Prussian Blue)’는 제조 비용이 저렴하고, 저장할 수 있는 에너지 양도 많아 상용화 가능성이 높은 소재로 평가받고 있다. 문제는 ‘프러시안 블루’가 만들어지는 과정에서 내부에 ‘결정수1)’를 상당량 품게 된다는 점이다. 이 물은 전해액 분해, 가스 발생, 철 용출 같은 부반응을 일으켜 배터리 성능과 수명을 떨어뜨린다. 이를 해결하기 위해 고온 열처리를 통해 물을 제거하는 방법이 널리 사용되어 왔지만, 오히려 배터리 성능이 더 나빠지는 현상이 나타났고, 그 원인은 지금까지 명확하게 밝혀지지 않았다. 연구팀은 고온 열처리를 통해 결정수를 제거한 이후에도 배터리 성능이 기대만큼 개선되지 않는 현상에 주목했다. 이에 열처리 전후의 표면 화학 상태를 정밀 분석한 결과, 성능 저하의 원인이 결정수 자체가 아니라 열처리 과정에서 프러시안 블루 표면에 형성되는 철-산소(Fe–O) 결합이라는 사실을 최초로 밝혀냈다. 이 결합은 표면 산화를 유도해 전해액 분해와 가스 발생을 촉진하고, 결국 배터리 성능과 안정성을 저하시키는 핵심 요인으로 작용했다. 연구팀은 이를 바탕으로 새로운 해결책을 제시했다. 비수계 용매 안에서 질소 기체를 지속적으로 주입하는 ‘액상 버블링 탈수 공정’이다. 질소 기포가 용액 속을 통과하면서 결정수를 효과적으로 제거하는 동시에 산소와 접촉을 최소화해 표면 산화를 억제한다. 젖은 옷을 뜨거운 열로 말리는 대신 부드러운 바람으로 건조해 손상을 줄이는 것과 비슷한 원리다. 이 공정을 적용한 프러시안 블루는 결정수 함량을 약 12wt.%(웨이트 퍼센트, 전체 무게 대비 비율)에서 1wt.% 수준까지 낮추면서도 표면 산화를 크게 줄였다. 또한 충·방전 과정에서 발생하는 가스가 감소했고, 100회 충·방전 이후에도 기존 열처리 방식보다 높은 용량 유지율을 기록했다. 특히 이번 공정은 전극 제조에 사용되는 용매를 그대로 활용할 수 있어 탈수와 전극 제조를 하나의 과정으로 통합할 수 있다는 장점도 있다. 기존에는 어렵게 제거한 수분이 전극 제조 과정에서 다시 흡수되는 문제가 있었지만, 연구팀의 통합 공정은 이러한 재흡착을 원천적으로 줄여 장기 안정성을 더 높였다. 이번 연구는 프러시안 블루 성능을 떨어뜨리는 근본 원인을 규명했을 뿐만 아니라, 산업 현장에 쉽게 적용할 수 있는 해결책까지 제시했다는 점에서 의미가 있다. POSTECH 조창신 교수는 “액상 버블링 탈수 공정은 탈수와 전극 제조를 하나로 통합해 수분 재흡착 문제까지 해결할 수 있어 차세대 나트륨 이온전지 상용화에 기여할 것으로 기대한다”라고 전했다. 한편, 이 연구는 산업통상자원부 첨단특성화대학원 지원사업(배터리), 산업통상자원부 에너지기술개발사업, 산업통상자원부 기술혁신사업의 지원으로 수행됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.73507 1) 결정수(crystal water): 물 분자가 물질의 결정 구조 내부에 포함되어 있는 형태로, 화학 반응 없이 구조 내에 존재하는 수분을 의미한다.

신소재/배터리 강병우 교수 연구팀, 전해질 내부의 이온 고속도로로 ‘꿈의 배터리’ 전고체전지 한계 넘는다

[게르마늄 도입으로 리시콘(LISICON)형 고체전해질 이온 전도도 5배 향상] 배터리 성능을 높이는 가장 단순한 방법은 무엇일까. 더 복잡한 구조나 새로운 소재가 아니라, 오히려 ‘더 많이 담는 것’일지도 모른다. POSTECH 연구팀이 이 단순한 질문에서 출발해, 전극을 두껍게 만들수록 성능이 떨어진다는 기존 상식을 정면으로 뒤집고, 기존보다 수십 배 두꺼운 전극도 거뜬히 버티는 차세대 배터리를 만드는 데 성공했다. POSTECH 신소재공학과·배터리공학과 강병우 교수, 신소재공학과 우승준 박사(現 LG에너지솔루션), 신소재공학과 통합과정 박준형 씨 연구팀은 기존보다 수십 배 두꺼운 양극을 사용하면서도 안정적으로 작동하는 전고체 배터리 플랫폼 구현에 성공했다. 이번 연구 성과는 영국왕립화학협회 에너지 분야 국제 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 게재됐다. 전고체 배터리(all-solid-state battery)는 액체 전해질 대신 고체를 사용하는 차세대 배터리로, 불이 붙을 위험이 낮고 에너지를 더 많이 저장할 수 있어 ‘꿈의 배터리’로 불린다. 그런데 꿈에도 약점은 있었다. 고체 안에서 리튬 이온이 느리게 움직이는 탓에 전극을 두껍게 만들수록 내부 저항이 커지고 성능이 급격히 떨어지는 문제가 있었다. 연구팀은 소재 자체를 뜯어고치는 대신, 리튬 이온이 지나가는 '길'을 바꾸는 전략을 선택했다. 기존 리시콘형1) 산화물 고체 전해질(Li3.5Si0.5P0.5O4, 이하 LSPO) 소재에서 규소(Si)와 인(P)의 일부를 게르마늄(Ge)으로 바꾼 것이다. 마치 좁은 골목길이 얽히고설킨 구도심을 고속도로망으로 재편한 것처럼, 이온이 이동할 수 있는 통로가 훨씬 넓어지고, 통로도 서로 촘촘하게 연결됐다. 그 결과, 이온 전도도가 기존 대비 약 5배 향상됐다. 더 놀라운 점은 이 소재가 양·음극 소재와의 접촉성도 매우 좋다는 것이다. 양극 소재와는 단순한 가열만으로 단단하게 결합하는 공소결2)이 가능하며, 음극으로는 리튬 금속을 사용하여 별도 외부 압력 없이 안정적인 배터리를 만들 수 있게 된 것이다. 그 덕분에 약 140마이크로미터 두께의 ‘초두꺼운 양극(Ultra-thick electrode)’을 적용한 전고체 배터리를 구현하는 데 성공했다. 이는 일반적으로 보고되는 전극보다 수십 배 두꺼운 수준으로, 그동안 ‘두꺼우면 작동하지 않는다’라는 전고체 배터리의 한계를 정면으로 넘어선 결과다. 이렇게 제작된 배터리는 상온에서도 안정적으로 작동했으며, 부피 기준 에너지 밀도는 841Wh/L(와트시퍼리터, 1L 안에 저장할 수 있는 에너지양)에 달했다. 더 작고 가벼운 배터리로 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 의미다. 이번 연구는 복잡한 구조보다 중요한 것은 연결성이라는 사실을 보여주며, 차세대 에너지 저장 기술의 방향을 한 단계 앞당겼다는 데 큰 의미가 있다. 이번 연구를 이끈 POSTECH 강병우 교수는 “산화물계 전고체 배터리에서 두꺼운 전극을 도입해 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있음을 증명한 사례”라며, “안전성과 에너지 밀도를 동시에 만족하는 차세대 리튬 금속 전고체 배터리 상용화에 중요한 돌파구가 될 것”이라고 밝혔다. 한편, 이 연구는 산업통상자원부 ‘이차전지 첨단전략산업 글로벌 지원 사업‘, ’기판실장용 산화물계 초소형 적층 전고체전지개발 사업’ 지원으로 진행됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1039/D6TA00467A 1. 리시콘형(Lithium Superionic Conductor type): 리튬 이온이 빠르게 이동할 수 있는 구조를 말한다. 2. 공소결(co-sintering) : 둘 이상의 물질을 고온에서 구워 하나의 입자로 만드는 공정

신소재/친환경/배터리 김용태 교수 연구팀, “다쳐도 스스로 낫는 촉매 나왔다” 수소차·연료전지 핵심 난제 극복할까

[손상돼도 금속 상태로 되돌아가는 전기화학 촉매 개발] 상처가 나도 회복하는 피부처럼, 산화되어 성능이 떨어져도 스스로 원래 상태를 되찾는 촉매가 나왔다. 수소차와 연료전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있다는 점에서 수소 경제 상용화에 중요한 전환점이 될 것으로 주목받고 있다. POSTECH 신소재공학과·친환경소재학과·배터리공학과 김용태 교수, POSTECH 신소재공학과 유상훈 박사(現 국립공주대 기계자동차공학부 유상훈 교수), 서울대 신소재공학부 한정우 교수, 포항가속기연구소 이국승 박사 연구팀이 함께 스스로 성능을 회복하는 촉매를 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 표지 논문(front cover)으로 게재됐다. 수전해 장치와 수소 연료전지는 물을 분해해 수소를 만들거나, 수소로 전기를 생산하는 장치다. 수소 경제의 핵심 기술이지만 치명적인 약점이 있었다. 내부에서 화학 반응을 돕는 촉매가 산소와 만나 산화되면서 표면이 딱딱하게 굳어버리는 것이다. 이를 ‘패시베이션(passivation)1)’이라고 부르는데, 한 번 이 상태가 되면 촉매가 다시는 본래 성능을 회복하지 못했다. 특히, 자동차 시동을 켜고 끄는 과정(이하 SU/SD2))이나 연료 공급이 불안정한 상황처럼 실제 산업 현장에서 흔히 벌어지는 조건에서 촉매 손상이 더욱 빠르게 진행됐다. 뛰어난 초기 성능을 갖고도 실제 제품에 쓰이지 못한 촉매가 많았던 이유가 여기에 있다. 연구팀은 이리듐(Ir)과 철(Fe)을 결합한 합금 나노촉매(IrFe/C)를 설계해 이 문제를 해결했다. 핵심은 촉매 '겉'과 '속'에 서로 다른 역할을 맡긴 것이다. 내부는 단단한 금속 합금 구조를 유지하면서 버팀목 역할을 하고, 바깥 표면만 주변 환경에 따라 유연하게 변하도록 설계했다. 덕분에 촉매 표면이 산화되더라도 다시 금속 상태로 돌아갈 수 있으며, 이 회복 과정을 반복할 수 있다. 연구팀은 이를 ‘동적 분리-표면 재구성(dynamic segregated-surface reconstruction)’이라 설명했다. 불에 타도 다시 재생되는 영화 속 터미네이터처럼, 촉매 스스로 성능을 복원하는 길을 연 셈이다. 실험 결과도 인상적이었다. 수전해 장치(PEMWE3))와 연료전지(PEMFC4))에 적용한 결과, 기존 촉매(Pt/C)는 성능이 62%나 감소했지만, 이번에 개발한 촉매(IrFe/C)는 16% 감소에 그쳤다. 연료가 부족하거나 불안정한 운전 조건에서도 높은 전류 밀도와 최대 출력 밀도를 안정적으로 유지했다. 기존 촉매의 출력 밀도가 최대 0.25W·cm⁻²까지 떨어지는 동안, 새 촉매는 0.72W·cm⁻²를 유지했다. 단순히 오래 버티는 것을 넘어, 성능 자체를 지키는 데 성공한 것이다. 이 기술은 수소 에너지 경제성을 높여 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 촉매 수명이 늘어나면 수소차와 연료전지 발전 시스템의 유지 비용이 줄어들고, 교체 주기도 길어진다. POSTECH 김용태 교수는 “촉매 표면 패시베이션을 극복하기 위한 새로운 패러다임을 제시했다”라며 “수전해 기반 친환경 수소 생산은 물론, 수소차·연료전지 발전 시스템 등 다양한 분야에서 장비 수명을 늘리고 유지 비용을 낮추는 데 기여할 것으로 기대된다”라고 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 나노 및 소재기술개발사업, 세종과학펠로우십의 지원으로 진행됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1039/d5ee05899f 1. 패시베이션(passivation): 금속이나 촉매 표면에 산화물층 같은 얇은 막이 형성되면서 외부 반응이 잘 일어나지 않게 되는 현상이다. 이 막은 촉매의 활성 부위를 덮어 성능을 떨어뜨리는 원인이 된다. 2. SU/SD(Start-up/Shut-down): 장치의 시동(Start-up)과 정지(Shut-down) 과정을 뜻한다. 수소 연료전지나 수전해 장치는 이 과정에서 전압 변화가 크게 발생해 촉매 열화가 빠르게 진행될 수 있다. 3. PEMWE(Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer): 고분자 전해질막 수전해 장치. 물(H₂O)을 전기분해해 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분리하는 장치로, 친환경 수소 생산 기술의 핵심으로 꼽힌다. 4. PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell): 고분자 전해질막 연료전지. 수소와 산소의 화학 반응을 이용해 전기를 생산하는 연료전지로, 수소차와 친환경 발전 시스템 등에 활용된다.

화공/배터리 김원배 교수 연구팀, 리튬 배터리, ‘이중 보호막’으로 수명 5배↑

[리튬 부식 정량 모델 기반 이중층 보호막 설계… 수명·계면 안정성 동시 향상] 스마트폰을 오래 쓰지 않았는데도 배터리가 예전보다 빨리 닳는 경험, 누구나 한 번쯤 있다. 단순히 대기 전력 때문이라고 생각하기 쉽지만, 배터리 내부에서는 우리가 모르는 사이에 '조용한 전쟁'이 벌어지고 있다. POSTECH 연구진이 '배터리 도둑'의 정체를 밝히고, 이를 막는 기술 개발에 성공했다. 최근 POSTECH 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 강송규 박사, 배터리공학과 통합과정 홍서찬 씨 연구팀은 리튬 금속 전지의 성능 저하 핵심 원인인 ‘리튬 부식’ 현상을 정량적으로 분석할 수 있는 모델을 개발하고, 배터리 부식을 효과적으로 막는 이중층 보호막 기술을 구현했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다. 리튬 금속은 차세대 에너지 저장 기술의 핵심 소재다. 현재 전기차와 스마트폰에 쓰이는 리튬이온전지보다 훨씬 많은 에너지를 더 작은 공간에 저장할 수 있어, 배터리 업계에서는 '꿈의 소재'로 불린다. 문제는 리튬이 워낙 반응성이 강하다는 점이다. 철이 공기 중 산소와 만나 서서히 녹슬듯, 리튬은 배터리 전해질(이온을 이동시키는 액체)과 만나는 순간 빠르게 반응하며 부식된다. 이 과정에서 전극 표면에 '고체 전해질 계면(SEI1))'이라는 얇은 막이 생기는데, 이 막이 불안정해지면 전해질이 계속 소모되고 내부 저항이 커진다. 결국 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라는 '덴드라이트(dendrite)'가 형성되어 배터리의 수명과 안전성을 동시에 갉아먹는다. 그런데 이 부식이 배터리를 충전하거나 방전하지 않는 동안에도, 그냥 보관만 하는 동안에도 쉬지 않고 계속된다는 사실이다. 전극 표면에 보호막을 씌우거나 인공 계면을 만드는 방식도 있지만 한계가 있었다. 부식이 얼마나 빠른 속도로 진행되는지, 그것이 전극 표면 구조 변화나 용량 감소와 어떻게 연결되는지를 정량적으로, 즉 숫자로 명확히 설명한 연구가 거의 없었기 때문이다. 연구팀이 개발한 ‘화학적 부식 소산 모델’은 리튬 부식과 계면 성장, 표면 구조 변화 간 관계를 하나의 통합된 수식으로 설명한다. 이를 통해 부식된 표면은 그 표면이 거칠어지고 불균일해지면서, 다음 부식이 더 빠르게 진행되는 ‘악순환’ 구조가 숨어 있다는 것을 확인했다. 실시간 X선 현미경 분석을 통해 이 현상을 눈으로 직접 확인하는 데도 성공했다. 연구팀은 이를 바탕으로 '이중층 보호막'을 설계했다. 이름에서 알 수 있듯 두 개의 층으로 이루어진 이 보호막은 각 층이 서로 다른 역할을 맡는다. 바깥층은 '리튬 폴리아크릴레이트' 기반의 고분자 층으로 이루어져 있으며, 전해질이 리튬 금속에 직접 닿지 못하도록 물리적으로 차단한다. 안쪽은 리튬-은(LiAg) 합금과 불화리튬(LiF) 성분이 결합된 계면층이 있어 리튬 이온이 전극 안팎으로 빠르고 균일하게 이동하도록 돕는다. 바깥층은 ‘방패’, 안쪽 층은 ‘교통정리 시스템’ 역할을 하는 셈이다. 상용화 수준의 고용량 배터리(NCM8112) 풀셀) 실험 결과, 고속 충·방전 환경에서도 안정적으로 작동했으며, 특히 배터리를 일정 시간 쉬게 하는 실사용 조건 평가에서는 기존 대비 약 5배 향상된 수명을 기록했다. 파우치 셀에서도 650회 이상 안정적으로 충·방전이 가능해 장기 안정성을 입증했다. 김원배 교수는 “이번 연구는 리튬 금속 전지의 수명을 좌우하는 핵심 요인인 부식 현상을 정량적으로 설명할 모델을 제시했다는 점에서 의미가 크다”라며 “부식을 억제하면서도 리튬 이온 이동은 촉진하는 계면 설계 전략을 통해 리튬 금속 전지의 실용화를 앞당길 것으로 기대한다”라고 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 선도연구센터(ERC), 과학기술정보통신부 중견연구사업, 그리고 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업의 지원을 받아 수행됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-70585-y 1. SEI: Solid Electrolyte Interphase 2. NCM811: 리튬이온 배터리의 양극재(+극 소재) 중 하나다. 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn) 세 가지 금속을 8:1:1 비율로 섞어 만든 소재여서 이 이름이 붙었다.

화공/배터리 김원배 교수 연구팀, ‘전고체 전지’ 숙제, 나뭇가지 구조로 풀었다

[나뭇가지형 나노 구조로 전고체 전지 성능·수명 동시 개선] 스마트폰이 폭발하고, 전기차가 불탄다. 뉴스에서 한 번쯤 봤을 법한 장면이다. 이 공포를 근본부터 없애겠다며 등장한 기술이 '전고체 전지'다. 하지만 상용화를 막는 기술적인 한계가 있었는데, 최근 국내 연구팀이 나뭇가지 모양의 아주 작은 구조 하나로 이를 해결했다. POSTECH 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 김민호 박사 연구팀이 국립부경대 화학공학과 이상호 교수와의 공동 연구를 통해 전고체 전지 핵심 문제를 해결할 새로운 전극 기술을 개발했다. 이 연구는 우수성을 인정받아 나노·재료·화학 분야 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 앞표지(front cover) 논문으로 게재됐다. ‘전고체 전지’는 배터리 내부 액체 전해질을 고체로 바꾼 배터리로 현재 전기차 업계에서 가장 주목받는 차세대 기술이다. 화재 위험이 적고 안정성이 높은 것이 특징이지만 고체 전해질은 액체처럼 전극 구석구석까지는 스며들기 어려워, 리튬 이온의 이동이 제한됐다. 배터리는 리튬 이온(Li+)이 전극 사이를 오가면서 전기를 만드는데 고체 전해질이 전극 안쪽까지 닿지 못하면 이온이 움직일 공간 자체가 줄어들기 때문이다. 그 결과, 전극 일부만 반응에 참여하고 나머지는 놀게 되면서 충전도 느리고, 수명도 짧아지는 문제가 있었다. 연구팀은 ‘나무의 성장 방식’에서 해법을 찾았다. 먼저 화학기상증착법(CVD)1)을 이용해 전류를 전달하는 금속 기판 위에, 틴옥사이드(SnO₂)를 머리카락 굵기의 수백 분의 1 수준으로 가늘게 뽑아낸 선 형태의 나노 구조(나노 와이어)로 형성했다. 그리고, 추가 공정을 통해 이 나노 와이어들이 나뭇가지처럼 사방으로 뻗어나가도록 유도해, 3차원 분지형 구조를 구현했다. 이 구조는 바인더(입자 붙이는 접착제)나 도전재(전기 잘 흐르게 하는 탄소 등) 같은 첨가물 없이, 오직 틴옥사이드(SnO₂)만으로 구성된 자립형 구조라는 점에서도 차별성을 가진다. 특히, 가지들이 자라며 서로 밀어내는 과정에서 자연스럽게 형성된 미세한 틈새 공간은 고체 전해질이 전극 내부 깊숙이 침투할 수 있는 통로가 된다. 그 결과, 마치 복잡한 골목길을 누비듯 리튬 이온이 전극 안팎을 자유롭게 이동할 수 있게 되었다. 연구팀은 포항가속기연구소의 X-ray 분석을 통해 고체 전해질이 전극의 내부까지 균일하게 침투하는 모습을 직접 확인했다. 이러한 구조적 설계 덕분에 분지형 전극은 기존의 슬러리 방식으로 제조된 전극에 비해 1A·g-1의 높은 전류 밀도에서 대략 7배 높은 용량을 보여주며 빠른 충·방전 특성을 보였다. 소재를 바꾸지 않고 구조만으로 성능을 개선했다는 점에서 의미가 크다. 이번 연구는 그동안 전고체 전지 상용화를 가로막던 근본적인 기술 장벽을 허무는 실마리가 될 것으로 기대를 모으고 있다. POSTECH 김원배 교수는 “나노와 마이크로를 아우르는 전극 구조 제어는 전고체 전지 설계에서 중요한 요소”라며 연구 의미를 설명했다. 또한, 국립부경대 이상호 교수는 “전극과 고체 전해질 사이의 접촉 계면을 효과적으로 개선할 수 있는 새로운 접근법을 제시했다는 점에서 의의가 크다”라고 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업·세종과학펠로우십, 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업의 지원을 받아 수행됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c06212 1. 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition): 고온에서 기체 상태의 원료 물질들을 반응시켜 기판 표면에 원하는 물질을 성장시키는 박막·나노구조 제조 공정이다.

이상민·박수진 교수 공동 연구팀, 배터리 속 ‘모래성 붕괴’ 막았다... 초박막 코팅으로 300회 충전에도 ‘끈끈’

[유기 용매·저압 구동 버티는 고체전해질 표면 설계로 배터리 '표면 분해' 해결] 불이 나지 않는 배터리. 전기차 시대가 본격화되면서 사람들이 오래 기다려 온 기술이다. 최근 그 기대에 응답하는 연구가 나왔다. 눈에 보이지도 않을 만큼 얇은 보호막 하나가 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체전지의 난제를 풀어냈다. POSTECH 배터리공학과·신소재공학과 이상민 교수, 배터리공학과 통합과정 고수민 씨 연구팀과 화학과 박수진 교수, 화학과 통합과정 이형석 씨 연구팀이 수행한 이 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 표지 논문(cover)으로 게재됐다. 전기차 화재 뉴스는 이제 낯설지 않다. 한번 불이 붙으면 쉽게 꺼지지 않는 이유는 배터리 내부의 ‘액체 전해질’ 때문이다. 전기를 전달하는 데 필수적이지만 불에 취약하다. 이를 고체로 바꾼 전고체전지는 화재 위험을 근본적으로 줄일 수 있어 차세대 배터리로 주목받고 있다. 특히 황화물계 고체전해질은 리튬이온 이동이 빠르고 전극과 잘 밀착돼 가장 유력한 후보로 꼽혀왔다. 문제는 만들기가 너무 어렵다는 것이다. 황화물계 고체전해질로 배터리를 만드는 과정에서 사용하는 유기용매나 공기 중의 미량 수분만으로도 표면이 쉽게 분해됐기 때문이다. 마치 모래성이 물에 닿으면 무너지듯, 배터리를 완성하기도 전에 성능이 떨어졌다. 여기에 실제 구동 환경인 낮은 압력에서는 전극 내부 접촉이 점차 느슨해지며 성능 저하가 가속됐다. 재료는 뛰어나지만 제조 공정과 실제 작동 환경을 동시에 만족시키기 어려웠다. 연구팀은 이 문제를 ‘초박막 보호막’이라는 단순하지만, 강력한 아이디어로 해결했다. 대표적인 황화물계 고체전해질인 LPSCl1) 표면에 플루오로카본(–CF₃) 말단을 가진 ‘자가조립 단분자층’을 형성해 두께는 약 1nm(나노미터) 수준의 보호막을 만들었다. 이 막은 유기용매와 수분을 효과적으로 차단하면서 이와 동시에 전해질 내부 구조와 리튬이온 전도 성능은 그대로 유지되도록 설계됐다. 이 보호막은 전기화학적 안정성도 크게 높였다. 분석 결과, 1.0C(C-rate)2)의 빠른 충·방전 조건에서 배터리가 안정적으로 오래 작동했다. 코인 셀(coin cell) 수준의 낮은 압력(≈0.3 MPa)에서도 전극 내부 접촉 손실을 효과적으로 줄이며 성능을 유지했다. 무엇보다 완전한 배터리 셀(full cell) 실험에서 300번의 충·방전을 반복한 뒤에도 초기 용량의 90.5%를 유지했다. 에너지밀도와 장수명을 동시에 확보해야 하는 전고체전지 상용화의 핵심 기준을 충족한 결과다. 이번 성과는 전기차와 에너지 저장 장치의 안전성과 수명을 동시에 끌어올리는 핵심 기술로 이어질 전망이다. 전고체전지 상용화를 앞당길 발판이 마련됐다는 평가다. 이상민 교수는 “고체전해질 표면 안정화가 전극 제작부터 실제 구동까지 이어지는 계면 안정성을 확보해 전고체전지 공정 신뢰성과 저압 구동 내구성을 높일 수 있음을 확인했다”라고 연구 의의를 전했다. 또, 박수진 교수는 “자가조립 단분자층 기반 표면처리는 공정이 단순하고 대량 생산이 가능해 대면적 전극 제조로 확장할 수 있다”라고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 산업통상자원부 기술 혁신 사업, 과학기술정보통신부 지역혁신 메가프로젝트사업과 산업혁신인재 성장지원(R&D) 사업 지원으로 수행됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202503019 1. LPSCl(lithium phosphorous sulfur chloride, Li6PS5Cl) : 아지로다이트 계열(Argyrodite-type) 황화물계 고체전해질의 일종으로, 2020년 삼성전자 및 삼성SDI의 기술 개발 이후 현재 가장 많이 연구되고 있는 고체전해질이다. 2. C(C-rate): 배터리 분야에서 쓰는 충·방전 속도 단위(C-rate)다. 예를 들어, 1C는 배터리를 한 시간에 완전히 충전/방전하는 속도를 말하며, 0.5C는 두 시간에 완전히 충·방전하는 속도다.

배터리 이민아 교수 연구팀, 불 안 나는 수계 배터리, 수명 문제도 해결했다

[아연 전착과 경쟁하는 수소 발생 잡아 수계배터리 상용화 난제 돌파] 전기차 화재, 스마트폰 발열 사고가 잇따르면서 '안전한 배터리'에 대한 관심이 높아지고 있다. 전해질로 ‘물’을 쓰는 수계아연배터리는 그 유력한 대안이지만, 배터리를 사용할 때 물이 분해되며 원치 않는 수소가 발생할 수 있다는 고질적인 약점이 상용화의 발목을 잡고 있다. 그런데 국내 연구팀이 단순한 방법으로 이를 해결했다. POSTECH 친환경소재대학원 배터리공학과 이민아 교수, 권민형 박사 연구팀이 구리 집전체를 친환경 용액에 잠깐 담그는 표면 처리 공정으로, 수계아연배터리의 수소 발생을 억제하고, 아연이 안정적으로 충·방전되도록 유도하는 기술을 개발했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘에너지 스토리지 머터리얼즈(Energy Storage Materials)’ 온라인판에 게재됐다. 수계아연배터리는 쉽게 불이 붙는 유기 용매를 쓰는 기존 리튬이온배터리와 달리 화재 위험이 낮고, 음극 소재인 아연 금속은 용량이 크고 경제적이다. 태양광과 풍력 같은 친환경 재생에너지를 저장하는 대형 에너지저장장치의 차세대 주자로 꼽히는 이유다. 문제는 수계 전해질에서 아연 금속을 환원시키는 과정에서 물 분자가 아연보다 먼저 분해되면서 수소 기체가 발생한다는 점이다. 수소 기체는 아연이 전극에 고르게 쌓이는 것을 방해해, 금속이 나뭇가지처럼 들쭉날쭉하게 자라거나 원치않는 부산물을 만들고, 결국에는 배터리의 용량과 수명을 갉아먹는 주범이다. 기존 연구들이 대부분 수계전해질을 개량하여 수소 기체의 발생을 줄이는 것에 집중했다면 연구팀은 수소가 만들어지는 출발점, 즉 물과 아연이 동시에 환원되는 구리 집전체의 표면에 주목했다. 연구팀이 선택한 방법은 구리 집전체를 ‘공융용매(Deep Eutectic Solvent)’라는 특수 용액에 담그는 것이다. 공정 자체는 단순하지만, 효과는 컸다. 이 과정에서 구리 표면에 자연적으로 생긴 산화막이 깨끗이 제거되는 동시에, 수 나노미터(nm) 두께의 얇은 유기 보호층이 새로 형성됐다. 이 보호층은 수소 이온이 구리의 표면에 달라붙지 못하도록 막아 수소 기체 생성을 원천 차단한다. 여기에 더해, 환원 초기 단계에서 자발적으로 구리와 아연으로 이루어진 합금층이 균일하게 형성되도록 해 아연이 판상형으로 촘촘하게 쌓이는 환경을 만들었다. 이 방식으로 성장한 아연은 이상적인 두께에 근접한 106% 수준으로 빽빽하게 쌓였으며, 결정립 크기도 2μm(마이크로미터) 이상으로 성장했다. 결정립이 클수록 아연 입자의 표면적이 줄어 충·방전 반복에도 구조가 안정적으로 유지된다. 성능 지표도 현재까지 보고된 수계아연배터리 중 최고 수준을 기록했다. 아연 사용률 30% 조건에서 누적 용량 5.8Ah/cm²(암페어시 퍼 제곱센티미터), 50% 조건에서도 2.2Ah/cm²를 달성했다. 또한, 실험실 수준을 넘어 상용 파우치셀 형태에서도 안정적인 작동이 확인돼 상용화 가능성을 높였다. POSTECH 이민아 교수는 “기존 연구에서 간과된 집전체 표면에 반응 선택성을 부여하여 수계배터리의 효율 저하를 근본적으로 해결했다"라며, "재생에너지 확산으로 대형 에너지저장장치 수요가 급증하는 상황에서 안전하고 경제적인 수계아연배터리 상용화를 앞당길 핵심 기술이 될 것"이라고 말했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF) STEAM 미래유망융합기술파이오니어사업, 산업통상자원부 한국산업기술진흥원 산업혁신인재성장지원사업 (배터리특성화대학원지원사업) 지원을 받아 수행됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.104960

배터리/신소재 박규영 교수 연구팀, “빵 반죽처럼 치대는 배터리” 속도 4배↑, 강도 3배↑

[POSTECH·UNIST·KIST, 활물질 표면에 탄소나노튜브 도입해 건식 전극 제조 난제 해결] 최근 POSTECH·UNIST·KIST 연구팀이 마치 빵 반죽을 짧은 시간에 치대면서도 더 쫄깃하게 만드는 것처럼, 친환경 배터리를 만드는 데 걸리던 시간을 4분의 1로 줄이면서도 강도는 3배 더 높이는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 온라인판에 게재됐다. 배터리 전극을 만들 때 보통 물이나 화학 용액을 사용하지만, 이를 쓰지 않고도 전극을 만드는 ‘건식 전극(dry electrode)’이 차세대 핵심 기술로 떠오르고 있다. 이 기술은 용매를 사용하지 않아 친환경적이고 비용을 절감할 수 있으며, 전극을 더 두껍게 만들어 같은 부피에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. LG에너지솔루션, 삼성SDI, 테슬라 등 글로벌 배터리 기업들이 이 기술에 주목하는 이유다. 그러나 산업화 단계에서 한계가 분명했다. 전극 제조에 시간이 걸리고, 만들어진 전극은 쉽게 부서졌다. 특히, 더 많은 에너지를 저장하기 위해 배터리를 지탱하는 접착제(binder)와 도전재(conductive additive, 전도성 물질)를 줄이면 에너지 밀도는 높아지지만, 전극 구조가 불안정해지고 성능이 급격히 떨어졌다. 연구팀은 재료를 섞는 ‘니딩(kneading)’ 공정에 문제가 있다고 판단했다. ‘니딩’은 밀가루 반죽을 치대듯 배터리 재료를 섞는 과정으로, 전극 구조와 물성이 결정되는 단계다. 그러나 이 과정에서 일어나는 변화를 정밀하게 제어하는 게 쉽지 않았다. 연구팀은 해결책으로 에너지를 저장하는 활물질 표면에 탄소나노튜브1)를 입혔다. 그러자 활물질 표면이 미세하게 울퉁불퉁해져 재료들이 서로 잘 엉기고 바인더가 그 사이사이를 촘촘하게 연결했다. 덕분에 가장 시간이 많이 소요되던 니딩 공정은 75% 이상 단축됐고, 전극 강도는 최대 3배 이상 향상됐다. 특히, 바인더 사용량을 10분의 1 수준으로 줄였는데, 바인더가 줄어들면 전극 내부의 공간이 더 확보되어 같은 부피에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 나아가 연구팀은 1Ah(암페어시) 파우치형 배터리까지 제작해 실험실 수준을 넘어 실제 양산 가능성도 확인했다. 박규영 교수는 "이번 연구는 건식 전극 제조의 가장 큰 난제로 꼽혀온 ‘공정 속도’와 ‘구조적 취약성’을 동시에 해결했다“라며, 차세대 고에너지 배터리 생산을 앞당길 출발점이 되길 기대한다“라고 전했다. 한편, POSTECH 신소재공학과·배터리공학과 박규영 교수, 배터리공학과 통합과정 박조규 씨, UNIST 에너지화학공학과 정경민 교수, 통합과정 오혜성 씨, KIST 에너지저장연구센터 유정근 박사가 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부, 산업통상자원부 및 삼성SDI의 지원을 받아 수행됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202504005 1. 탄소나노튜브(carbon nanotube): 머리카락 굵기의 10만분의 1 크기인 탄소 섬유다.