이정태 부교수

칼코젠 계열 원소인 황과 셀레니움을 활용하여 고에너지밀도 이차전지 양극 소재를 개발하는 연구를 지속적으로 수행하고 있습니다. 외부원소와의 복합화를 통해 칼코젠 양극 소재의 에너지밀도를 높이는 연구를 진행하였으며, 셀레니움 양극 소재의 장수명 특성을 확보하기 위한 소재 디자인 연구를 별도의 과제로 수행하였습니다. 고에너지밀도 황전극 개발을 목표로 하는 과제 역시 수행하여, 칼코젠 기반 양극 소재 전반에 걸친 다수의 연구 과제를 축적해 왔습니다. 셀레니움과 황은 기존에 널리 사용되는 산화물 계열 양극 소재 대비 높은 이론 용량을 가지는 것으로 알려져 있으며, 이를 실제 전지 시스템에서 안정적으로 구현하기 위해서는 외부원소 복합화와 같은 정교한 소재 설계 전략이 요구됩니다. 이러한 배경 아래 칼코젠 양극 소재의 에너지밀도와 수명 특성을 동시에 개선하는 방향으로 연구를 지속해 왔으며, 셀레니움 양극재의 경우 반복적인 충방전 과정에서 발생하는 용량 저하 문제를 완화하기 위한 소재 디자인에 특히 초점을 맞추어 과제를 수행하였습니다. 황전극 연구에서는 고에너지밀도 구현을 위한 전극 설계에 중점을 두고 연구를 진행하였습니다.

하드카본을 기반으로 실리콘의 부피 팽창을 제어하고 그래핀과의 복합화를 통해 고용량 이차전지 음극재를 개발하는 연구를 수행하고 있습니다. 실리콘은 흑연 대비 높은 이론 용량을 가지지만 충방전 과정에서 발생하는 큰 부피 팽창으로 인해 전극 구조가 손상되는 문제가 있어, 이를 제어하기 위한 소재 설계 전략으로 하드카본 매트릭스를 활용한 복합화 연구를 진행하였습니다. 여기에 그래핀을 추가로 복합화하여 전기전도도를 확보하고 실리콘 입자의 구조적 안정성을 보완하는 방향으로 음극재를 설계하였습니다. 이러한 접근은 실리콘 음극재의 고질적인 부피 팽창 문제와 낮은 전기전도도 문제를 동시에 해결하여 고용량 특성을 안정적으로 구현하기 위한 목적에서 출발하였으며, 관련 과제를 통해 하드카본 기반 실리콘 음극재의 팽창 제어 기술과 그래핀 복합화 기술을 함께 확보하는 연구를 지속해 왔습니다. 하드카본 매트릭스는 실리콘 입자를 감싸는 완충층 역할을 수행하여 부피 팽창에 따른 전극 붕괴를 억제하는 데 기여하며, 그래핀은 전극 내 전자 이동 경로를 형성하여 실리콘 소재 특유의 낮은 전기전도도를 보완하는 역할을 담당합니다. 이러한 복합 소재 설계를 통해 고용량 이차전지 음극재로서의 실용화 가능성을 높이는 연구를 진행해 왔습니다.

바이오매스 유래 소재를 나노 구조로 제어하여 에너지저장 시스템에 응용하는 연구를 2019년 신진연구 과제를 통해 수행하였습니다. 바이오매스는 자연에서 얻을 수 있는 지속가능한 탄소 공급원으로, 이를 나노 구조화하는 공정을 거쳐 다공성 탄소 소재 등으로 전환함으로써 에너지저장 소재로서의 활용 가능성을 확보하고자 하였습니다. 해당 과제에서는 나노 구조 바이오매스 소재의 개발 자체와 더불어 이를 실제 에너지저장 시스템에 응용하는 연구를 함께 진행하였으며, 이는 기존 석유 유래 탄소 소재를 대체할 수 있는 친환경적이고 지속가능한 소재를 개발한다는 목적을 가지고 수행되었습니다. 신진연구자 지원 과제로 선정되어 수행된 이 연구는 바이오매스 기반 나노 소재를 이차전지를 비롯한 에너지저장 시스템의 전극 소재로 확장 적용하기 위한 기초 연구로서의 의미를 가지며, 바이오매스 원료의 구조적 특성을 나노 스케일에서 제어함으로써 에너지저장 성능 향상에 기여할 수 있는 소재 플랫폼을 구축하는 데 중점을 두었습니다. 이러한 연구 방향은 앞서 수행한 칼코젠 및 실리콘 기반 전극 소재 연구와 더불어 지속가능하고 고성능인 이차전지 소재 개발이라는 공통된 연구 목표를 공유합니다.