김민규 조교수

고에너지 밀도 확보를 위한 하이니켈 양극재는 초기 비가역 용량 손실과 수명 저하라는 본질적 한계를 가지고 있어 이를 극복하기 위한 연구를 수행하고 있습니다. LFP와 하이니켈 소재를 단순 혼합한 복합 전극 전략을 통해 두 소재 간 포텐셜 차이에 의한 자발적 리튬 이온 이동 현상을 유도하고, 실시간 결정 구조 분석을 통해 반응 메커니즘을 규명하는 연구를 진행했습니다. 이러한 접근은 NMC811 단결정 및 다결정 양극재에 적용되어 두 소재의 장점을 결합한 열화 억제 전략으로 발전했습니다. 전기차, 드론, UAM(도심항공모빌리티) 등 고에너지 밀도가 요구되는 응용 분야에서의 활용 가능성을 확인했으며, 관련 연구 결과는 국제 학술지 Energy & Environmental Science(IF: 32.4)에 게재되었습니다. 해당 기술은 TRL 5-7 수준으로 실증 단계에 근접해 있으며, 향후 대용량 셀 적용을 위한 공정 최적화 연구로 확장하고 있습니다.

실리콘 음극은 높은 이론 용량을 지니지만 부피 팽창과 SEI(고체전해질계면) 불안정성으로 인해 급속충전 성능 확보가 어려운 한계를 가지고 있습니다. 이를 해결하기 위해 전이금속 크로스토크가 SEI 형성에 미치는 영향을 분석하고, 흑연과 실리콘을 결합한 복합 음극의 계면 화학을 최적화하는 연구를 수행했습니다. 실리콘-금속 무기 화합물 코팅층을 형성하여 SEI를 안정화하는 기술을 개발했으며, 이를 급속충전 리튬이온전지 및 전고체 전지에 적용했습니다. 국립금오공대와의 공동 연구를 통해 전고체 전지용 Li-Si 음극에서 15.96 mAh/cm²의 면적 용량을 달성했고, 6분 급속충전 조건에서 2,000회 이상의 안정성을 확인했습니다. SiO 음극의 미세구조를 제어하여 79.6%의 초기 쿨롱 효율을 달성하는 성과도 확보했습니다. 해당 기술은 TRL 5-7 수준으로 실증에 가까운 단계에 있습니다.

기존 전이금속 레독스 반응 기반 양극재는 용량 및 수명 한계가 존재하여 새로운 레독스 메커니즘 도입이 필요한 상황입니다. Ligand to Metal Charge Transfer(LMCT) 기반 음이온 산화 반응의 전압 제어 메커니즘을 규명하고, 바이모달 복합 양극 전극의 전기화학 거동을 분석하여 전극 내부 동역학을 제어하는 연구를 수행했습니다. 슬라이딩 도어 방식의 셀 해체 기술을 기반으로 폐전지에서 단결정 양극을 재합성하는 업사이클링 공정도 개발했습니다. 이러한 기술은 급속충전 이차전지, 전고체 전지용 제로 스트레인 양극, 폐전지 재활용 및 업사이클링 분야에 적용되고 있습니다. 1000 Ah급 셀 해체 자동화 공정과 5 kg/batch급 단결정 양극 업사이클링 기술을 개발했으며, 가역용량 200 mAh/g 및 전극 합제밀도 3.8 g/cc를 목표로 연구를 진행하고 있습니다. 해당 기술은 TRL 2-6 수준으로 기초 메커니즘 연구부터 폐전지 재생 공정까지 단계별 진전을 이루고 있습니다.