▲ (왼쪽부터) 충남대 김종헌 연구원, KAIST김일두 교수, 충남대 김현석 부교수, KAIST 정지원 박사.

충남대학교(총장 이진숙) 공과대학 신소재공학과 김현석 교수팀이 카이스트 김일두 교수팀과 함께 저온 및 박막화 공정을 통해 차세대 전자기기를 위한 박형 배터리 시스템 구현에 성공했다.

이번 연구는 충남대 김종헌 박사 연구생이 제1 저자, 김현석 교수가 교신 저자, 카이스트 정지원 박사, 김일두 교수가 공동 교신 저자로 참여했다. 본 연구 결과는 저명 국제 학술지인 ‘ACS Nano’(Impact factor (IF): 14.588) 25일자에 게재됐다. (논문 제목: Ensemble Design of Electrode Electrolyte Interfaces: Toward High-Performance Thin-Film All-Solid-State Li Metal Batteries)

제4차 산업혁명시대가 도래함에 따라 전기자동차용 전고상 배터리는 물론, 사물인터넷(IoT), 센서, MEMS 등 소형 소자들의 전력공급을 위한 초소형 전고상 배터리 등 다양하고, 우수한 성능의 전고상 배터리가 필요하다.

이에 공동 연구팀은 리튬 음극(Li)과 고체 전해질(LiPON) 사이에 초박형 산화알루미늄(Al2O3) 층의 도입해 두 물질 사이의 계면저항을 크게 감소시킴은 물론, 액체 전해질 기반 배터리 충·방전 속도에 상응하는 전고상 박막 배터리 구현했다.

해당 연구는 실험적인 결과뿐만 아니라 DFT(Density Functional Theory) 기반 MD(Molecular dynamics) simulation 및 다양한 분석을 통해 음극과 고체 전해질 사이의 계면 특성 향상 기구를 입증했다.

또한, 이번 연구를 통해 박형 전고상 배터리의 우수한 충·방전 속도 및 장기 안정성을 확보했으며, 기존 액체 전해질 기반 배터리 폭발 위험성에 대한 문제와초소형 전자기기용 배터리 문제 해결 가능성을 제시했다.

연구팀은 이번 연구를 시작으로 고용량/고전압 양극 소재 제조를 위한 다층 적층 및 3D 구조 제작 공정 개발과 고전도성 박형 고체 전해질 개발을 통한 반응 면적의 극대화를 통해 기술 상용화를 위한 연구에 박차를 가할 예정이다.

김현석 교수는 “이번 연구는 현재 전고상 배터리 분야에서 가장 큰 문제로 꼽히는 전극과 고체 전해질 계면 저항 문제를 크게 감소시키는 새로운 방법을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”며, “실제 전자기기에 적용하기 위해 지금보다 더 높은 배터리의 에너지 밀도를 가진 전고상 배터리 시스템 개발에 앞장서겠다”고 밝혔다. ［대전경제=한혜빈］