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) 2월 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.
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