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경희대학교 이정태 교수팀, “차세대 이차전지 핵심 소재, 남극에서 찾았다”

[한국강사신문 한상형 기자] 경희대학교(총장 김진상)는 융합바이오신소재공학과 이정태 교수 연구팀이 극지연구소(소장 신형철) 윤의중 박사와 공동연구를 수행해 남극에서 차세대 이차전지의 핵심 소재를 발견했다고 밝혔다. 신소재를 적용한 배터리는 성능과 수명이 대폭 향상됐다. 연구는 그 우수성을 인정받아 세계적인 학술지에 3월 게재됐고, 국제 특허도 진행 중이다.리튬-황 전지는 배터리 용량이 크고, 작은 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 차세대 이차전지로 주목받고 있지만, 충·방전 과정

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[한국강사신문 한상형 기자]

경희대학교(총장 김진상)는 융합바이오신소재공학과 이정태 교수 연구팀이 극지연구소(소장 신형철) 윤의중 박사와

공동연구를 수행해 남극에서 차세대 이차전지의 핵심 소재를 발견했다고 밝혔다.

신소재를 적용한 배터리는 성능과 수명이 대폭 향상됐다. 연구는 그 우수성을 인정받아 세계적인 학술지에 3월 게재됐고,

국제 특허도 진행 중이다.

리튬-황 전지는 배터리 용량이 크고, 작은 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 차세대 이차전지로 주목받고 있지만, 충·방전 과정에서 황이 변하거나 바인더*가 팽창해 성능이 저하되는 문제가 있다.

공동연구팀은 남극 세종기지 인근 바다에서 채집한 홍조류 ‘커디에아 라코빗자에(Curdiea racovitzae)’로부터 상용 바인더의 기능을 획기적으로 향상시킬 신소재(복합 다당제, Curdiea racovitzae Polymer 이하 CRP)를 찾아냈다. CRP는 개미굴처럼 복합한 3차원 구조를 형성해 배터리 성능과 안정성을 크게 높였다. 기존 바인더 대신 CRP를 사용하면 배터리 용량 유지 성능이 100%가량 향상됐다. 이정태 교수는 “개미굴처럼 생긴 다공성 구조가 충·방전 시 내부 팽창을 흡수해 장기 사용에도 전극의 형태가 안정적으로 유지된다”라고 설명했다.

이정태 교수와 윤의중 박사 공동연구팀은 상용화를 위해 대량 배양 기술 개발과 후보물질 추출 효율을 높이는 연구를 진행할 계획이다. 또한 국내 해조류에서도 유사한 성질을 가진 소재를 발굴하기 위한 추가 연구도 추진한다. 이정태 교수는 “배터리 사용량이 지속적으로 증가함에 따라 지속 가능한 원료의 중요성이 커지는 만큼 바이오소재를 활용한 이차전지 소재 개발은 앞으로 더욱 주목받을 것”이라고 말했다. 신형철 극지연구소 소장은 “남극을 잘 보존하면서 지혜롭게 활용하기 위한 대한민국 극지연구의 도전은 계속될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 극지연구소와 한국임업진흥원, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

*바인더 : 전극 재료를 묶어두고, 전기적 연결을 유지해 이차전지의 성능을 결정짓는 핵심 부품.

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이러한 상황에서

이정태 교수 연구팀이 새로운 첨가제(PES)를 적용해 리튬 금속 배터리의 안정성과 성능을 동시에 높이는 기술을 개발했다.

연구 결과는 세계적인 학술지 'Chemical Engineering Journal(IF=13.4)'에 3월 온라인 게재됐다.

액체 전해질에서 PES 같은 화합물은 배터리 충/방전 과정에서 화학적으로 변하며 성능을 향상시키는 것으로 알려졌다. 연구팀은 고체 전해질에서 PES가 구조를 유지하면서도 배터리 성능을 높인다는 새로운 사실을 발견했다. 특히 상온에서 PES가 리튬 이온의 이동을 도와 배터리 충전속도를 높이며 덴드라이트 결정 생성을 억제해 배터리 수명을 늘리는 것으로 관측됐다.

실험 결과 PES가 첨가된 고체 전해질은 높은 이온 이동 속도를 보였고, 5.5V의 높은 전압에서도 안정적으로 작동했다. 또한 리튬 금속 배터리에 적용했을 때 전기차와 에너지 저장 장치에 많이 사용되는 리튬인산철(LFP) 배터리의 경우 500회 충/방전을 반복한 후에도 94.48%의 용량을 유지했다. 또한 에너지 밀도가 높은 NCM(니켈/코발트/망간) 배터리에도 뛰어난 성능을 보였다. NCM 배터리는 300회 충/방전 후에도 97%의 용량을 유지하며 기존보다 높은 수명을 입증했다.

연구를 진행한 이정태 교수는 "이번 연구는 고체 전해질에서 PES 화합물의 적용 가능성을 알린 초석이 될 것"이라며

"향후 다양한 유기 화합물을 활용해 안전하고 높은 성능을 보이는 고체 전해질 개발에 힘쓰겠다"고 말했다.