리튬 이차 전지는 처음 상용 제품이 만들어진 1991년부터 지금까지 30여년 간 전 세계적으로 많은 연구 개발이 이루어져 있으며, 지속적인 성능의 향상이 있었습니다. 에너지 저장 및 변환 장치 중 핵심으로 자리 잡은 리튬 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 등의 휴대용 전자기기를 비롯해 전기자동차, 대용량 에너지 저장 장치 등 다양한 분야에서 이제는 인류의 삶에 없어서는 안되는 필수적인 제품이 되었습니다. 특히, 친환경적이고 지속 가능한 에너지 전환이 시급해짐에 따라, 에너지 효율을 극대화하고, 안정성과 수명을 개선한 차세대 리튬 이차 전지의 개발이 그 어느 때보다 중요해지고 있습니다. 이에 따라, 다양한 분야의 연구자들이 리튬 이차 전지의 성능을 향상시키고 새로운 소재 및 구조를 탐구하기 위해 활발히 연구를 진행하고 있습니다.
이러한 맥락에서, 리튬 이차 전지 연구를 활발히 수행하고 계신 국내 세 분의 연구자들에게 최근 이차 전지 각 소재 및 종류별 연구 동향을 알아볼 수 있는 총설 집필을 부탁드렸습니 다. 이 시리즈는 1월부터 세 달간 연이어 발표될 예정이며, 각 연구자들께서 맡으신 분야별 최근 연구 동향 및 수행하고 계신 연구 내용을 소개할 예정입니다.
이 시리즈 중 첫 총설은 강원대학교 김영진 교수님께서 리튬 및 소듐 이온 전지의 핵심 소재인 양극 소재에 대한 최근 연구 동향 및 교수님 연구실에서 수행하신 연구 결과를 공유해 줄 예정입니다. 김 교수님께서는 다양한 양극 소재의 열화 거동 및 성능 향상 메커니즘을 규명하고, 특히 고용량 하이니클 양극 소재 관련 계면 현상 분석 및 신규 전극 제조 공정 등에 관한 연구를 중점적으로 수행하고 있습니다. 이에 더해 양극의 계면 성능을 향상시킬 수 있는 신규 전해질에 대한 고찰, 코발트가 없는 양극 소재, 차세대 소듐 양극 소재 개발에 대한 연구 동향을 소개해 주실 예정입니다.
두 번째 총설에서는 가천대학교 채오병 교수님께서 고용량 음극 소재의 대표적인 물질인 실리콘에 대해 다룰 예정입니다. 이 총설은 실리콘을 음극 소재로 채택할 수밖에 없는 이유, 실리콘 음극 소재 개발의 역사, 그리고 학계 및 산업계에서 이뤄진 연구 성과를 종합적으로 소개해 주실 예정입니다.
특히, 실리콘 음극의 성능을 향상시키기 위한 다양한 전략들이 중점적으로 논의될 것이며, 교수님께서 그동안 수행해 오신 연구 중 실리콘의 표면처리를 통해 전기화학적 안정성을 크게 개선한 연구가 주요 내용으로 다뤄질 예정입니다. 실리콘 음극은 반복적인 충방전 과정에서 표면의 불안정성이 발생해 사이클 성능이 크게 저하되는 문제를 안고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 실리콘 표면에 안정적인 피막을 형성시키는 방법과 이를 통해 리튬 이차 전지의 안정성, 수명, 성능을 극대화할 수 있는 방안들이 포함될 것입니다.
이번 시리즈의 마지막은 고에너지밀도의 리튬 이차 전지 구현의 마지막 조각인 리튬 금속 음극에 대한 연구의 역사 및 현 재 수준, 그리고 향후 전망에 대해서 전북대학교 우미혜 교수님께서 작성해 주실 총설입니다. 우 교수님께서는 리튬 금속 음극 의 성능 향상을 위해서 음극 집전체 연구와 리튬 호스트에 적합한 구조를 설계하는 연구를 수행하였습니다. 이를 통해 리튬 금속 음극의 안정성 문제, 덴드라이트 형성 억제, 고에너지밀도 실현 등을 목표로 연구를 수행하였으며, 새로운 표면과 구조가 어떻게 리튬 금속 음극의 성능을 개선하는지에 대해 연구한 경험을 지니고 있습니다. 이를 바탕으로 리튬 금속 음극의 실현 가능성에 대해 논의하는 총설을 작성해 주실 것으로 예상됩니다.
이번 시리즈 총설을 통하여, 화학세계 구독자들에게 상용 수준에서 고려되고 있는 리튬 이차 전지의 현재 연구 동향 및 수준이 어떠하며, 어떠한 협력 연구를 수행하면 더욱 발전된 리튬 이차 전지를 개발할 수 있을지 가늠해 볼 수 있는 계기가 되길 기대합니다. 또한, 이를 토대로 인류의 윤택한 삶에 있어서 이제는 없어서는 안되는, 안전하며 에너지밀도가 높은 이차 전 지가 실제로 우리에게 올 수 있는 날이 한 걸음 더 다가오기를 기원합니다.
장지현 Jihyun Jang
•서울대학교 화학생물공학부 학사(2006.3- 2010.2)
•서울대학교 화학생물공학부 박사(2010.3- 2015.8, 지도교수:오승모)
•삼성전자 종합기술원 전문연구원(2015.9 - 2019.1)
•삼성SDI 연구소 책임 연구원(2019.2 - 2021.3)
•University of California, San Diego 박사후연구원(2021.4-2023.2, 지도교수:Shirley Y. Meng)
•서강대학교 화학과 조교수(2023.3 – 현재)
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