[연세대학교 대학원 소식 Vol. 3] 4단계 BK21 교육연구단 우수 연구 성과

정윤석 교수 연구팀, 5V급 고전압 전고체전지 설계 기술 개발… 에너지 밀도 한계 극복 기대

사회지향 글로벌 초격차 화공인재양성 교육연구단(공과대학 화공생명공학과)

연세대학교 공과대학 화공생명공학과 정윤석 교수 연구팀이 5V 이상 고전압 영역에서도 안정적으로 구동 가능한 전고체전지 설계 기술을 개발하고, 그 유효성을 다양한 양극 및 실제 셀 구조에서 입증했다.

배터리의 전기 에너지는 전하량과 전압의 곱으로 결정된다. 이에 따라 고용량 전극 또는 고전압 양극을 적용하면 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으며, 두 접근을 결합할 경우 상승 효과는 더욱 커진다. 그러나 일반적으로 5V 이상 전압대에서는 전해질 분해 문제가 발생해 실제 운용 전압이 4V 부근에 머무르고 있으며, 이러한 한계는 전고체전지에서도 크게 다르지 않았다. 이를 해결하기 위해 새롭게 설계한 불화물계 고체전해질 LiCl–4Li₂TiF₆(상온 이온전도도 1.7 × 10⁻⁵ S/cm)를 도입했다. 해당 전해질은 5V 이상에서의 높은 산화 안정성과 우수한 이온전도도를 동시에 확보했으며, 특히 LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄ 등 5V급 스피넬계 양극재 표면 보호층으로 적용될 경우 전기화학적 성능이 뚜렷하게 향상되는 것으로 나타났다. 또한 연구팀은 개발 전해질의 활용 범위를 다각도로 확장해 적용 가능성을 검증했다. LiCoMnO₄, 초저가형 LiFe₀.₅Mn₁.₅O₄ 등 다양한 고전압 스피넬계 양극재에서도 우수한 성능을 보였으며, 기존 대비 2배 이상의 용량(258 mAh/g)을 달성한 저전압 확장 시스템에서도 효과를 입증했다. 더 나아가 일반 전극 대비 약 10배 두꺼운 1.8 mm 초고에너지밀도 전극 구현에도 성공했으며, 상용화에 근접한 파우치형 전고체전지에서도 높은 안정성과 출력 특성을 동시에 확인했다.

정윤석 교수는 “이번 성과는 단순한 신소재 제안에 그치지 않고, 고전압 전고체전지 구현을 위한 설계 방향을 구체화한 결과”라며 “전고체전지 상용화 가속을 위한 기반 기술이자, 최근 제기되는 황화물계 고체전해질의 안전성 이슈에 대응하는 관점에서도 의미가 크다”고 밝혔다. 이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연세대 손준표 박사과정생, 박주현 박사, 동국대 김해용 석사과정생, KAIST 김재승 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 학술지 Nature Energy 10월 3일자 온라인판에 「Five-volt-class high-capacity all-solid-state lithium batteries」 제목으로 게재됐다.