국립 부경대학교

카본나노파이버 집전체 이용 고성능 리튬금속 전고체전지 음극 전극 개발

- 부경대 오필건 교수, 화학계 저명 국제학술지에 연구논문 게재

국립부경대학교 오필건 교수(나노융합공학과)가 차세대 미래 배터리의 음극 소재로 ‘카본나노파이버’를 제시해 학계의 주목을 받고 있다.

부경대는 오 교수와 UNIST 조재필 교수가 공동으로 황화물계 전고체전지의 에너지 밀도를 높이기 위해 진행한 전지 음극 전극 개선연구가 독일의 와일리(Wiley)사의 화학계 저명 국제학술지 <Angewandte Chemie International Edition>(IF:15.336)에 최근 게재됐다고 밝혔다.

오 교수 연구팀은 이 학술지에 실린 논문 ‘Development of High Energy Anodesfor All-Solid-State LithiumBatteries Based on Sulfide Electrolytes’을 통해 지금까지의 황화물계 전고체전지 음극 전극 관련 연구를 조사해 해당 연구의 한계점과 개선점을 분석하고, 향후 음극 전극 연구 방향성을 제시했다.

현재 가장 널리 사용되고 있는 이차전지는 리튬이온전지이지만, 휘발성 액상 전해액으로 인해 열적 안전성이 부족함에 따라 이를 극복하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 전해액을 황화물계 고체 전해질로 대체한 전고체전지가 그 대안으로 떠오르고 있지만, 리튬이온전지보다 전극 단위에서 에너지 밀도가 낮다는 한계가 있다.

이에 따라 연구팀은 전고체전지의 상용화를 위해서는 시스템 단위가 아닌 전극 단위에서의 에너지 밀도 개선이 반드시 필요하다고 밝히며, 전고체전지의 음극 전극으로 ‘카본나노파이버를 활용한 음극 집전체’를 제시했다.

카본나노파이버는 음극 전극으로 사용됨과 동시에 우수한 전기전도성을 가지고 있어 현재의 구리 집전체를 대체 가능하여, 전지 에너지 밀도 개선이 가능하다. 이와 함께 충분한 내부 기공으로 인해 리튬금속 산화 환원 시 전극의 부피변화를 완화 시켜줄 수 있어 현재 대부분의 리튬금속전지 음극 기술이 가지고 있는 충방전 과정 중 전극 부피변화 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 오 교수 연구팀은 이 소재의 전극 채용을 위해 소재를 비롯한 전극 제작 및 설계 기술 등을 연구하고 있다.

오필건 교수 연구팀은 ‘2020년에 선정된 한국연구재단의 기초연구실과제’ 지원을 받아 이번 연구를 진행했으며, 전고체전지 상용화를 위한 전극 설계 및 전극 소재 개발 등 다양한 연구를 수행해오고 있다. <부경투데이>

Development of anode electrode for high-performance lithium metal solid-state battery using a carbon nanofiber collector

- Prof. Oh Pil-Gun from PKNU publishes research papers in renowned international scientific journals in the chemistry world.

Prof. Oh Pil-Gun (Dept. of Nanotechnology Engineering) of Pukyong National University is gaining academic recognition by presenting 'carbon nanofiber' as a cathode material for next-generation future batteries.

Pukyong National University announced that a study on the improvement of the battery negative electrode to increase the energy density of sulfide-based all-solid-state batteries, jointly conducted by Professor Oh and Professor Jo Jae-Pil from UNIST, was published in <Angewandte Chemie International Edition>(IF:15.336), a well-known international academic journal in chemistry of the German company 'Wiley'.

Professor Oh's research team investigated the related research on cathode electrodes of sulfide-based solid-state batteries so far through the paper 'Development of high energy anodes for all-solid-state lithium batteries based on sulfide electrolytes' published in this journal, and they analyzed the limitations and improvements of the study and suggested the future research direction for the cathode electrode.

Currently, the most widely used secondary battery is a lithium-ion battery, but due to a liquid electrolyte having volatility, thermal stability is insufficient, and studies are being conducted to overcome this problem. A solid-state battery that replaces the electrolyte with a sulfide-based solid electrolyte is emerging as an alternative, but it has a limitation in that it has a lower energy density in the electrode unit than that of a lithium-ion battery.

Accordingly, the research team reported that it is necessary to improve the energy density in the electrode unit rather than the system unit for the commercialization of the solid-state battery and presented the 'anode collector using carbon nanofibers' as the anode electrode of the solid-state battery.

Carbon nanofiber is used as a negative electrode and has excellent electrical conductivity, so it can replace the current copper collector, thereby improving battery energy density. At the same time, when lithium metal is oxidized and reduced due to sufficient voids, it can alleviate the change in the volume of the electrode, effectively solving the problem of the change in the volume of the electrode during the charging and discharging process that most lithium metal battery anode technologies currently have. Professor Oh's research team is researching materials as well as electrode fabrication and design technology for the adoption of electrodes of this material.

Professor Oh Pil-Gun's research team conducted this research with the support of the 'Basic Research Laboratory' project selected by the National Research Foundation of Korea in 2020 and has been conducting various research such as electrode design and electrode material development for the commercialization of all-solid-state batteries. <Pukyong Today>