대학원 고분자공학과

송우진 교수팀, 차세대 리튬 이온 배터리 실리콘 음극 안정화 기술 연이어 국제 학술지 게재

‘ACS Applied Materials & Interfaces’, ‘Small Structures’ 논문 게재

3차원 네트워크 바인더 설계와 사전리튬화 최적화로 고용량·고안정성 실리콘 음극 구현

공과대학 유기재료공학과 송우진 교수 연구팀이 차세대 리튬 이온 이차전지의 핵심 소재인 실리콘 음극의 안정성 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 혁신적 기술을 개발하고, 관련 연구 성과를 국제 저명 학술지 두 곳에 연이어 게재했다.

송우진 교수팀은 이번 연구 성과를 ▲ACS Applied Materials(IF: 8.2, JCR: 18.04%) ▲Small Structures(IF: 11.3, JCR: 10.43%)에 각각 게재하며 차세대 배터리 소재 연구 경쟁력을 입증했다.

실리콘은 기존 상용화 음극 소재인 흑연보다 10배 높은 이론 용량(4,200 mAh/g)을 지닌 차세대 고용량 배터리 핵심 소재로 주목받고 있다. 하지만 충·방전 시 최대 400%에 달하는 부피 팽창으로 전극 구조가 쉽게 파괴되고 배터리 성능이 급격히 저하돼, 그동안 상용화의 큰 걸림돌로 작용해왔다. 

이에 연구팀은 첫 번째 연구에서 사전리튬화와 가교 전략을 융합한 3차원 네트워크 고분자 바인더를 새롭게 설계했다. 특히 보론(Boron) 원자의 특성을 활용해 전해질과의 상호작용을 정밀하게 제어, 장기간 충·방전에도 안정적인 성능을 유지할 수 있도록 구현했다. 해당 연구는 우상현 석사과정생과 송민주 석박통합과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 박형민 박사(한국건설생활환경시험연구원), 송우진 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

□ 논문 제목: Designing a Dual-Functional Binder for High-Energy-Density Silicon Anodes in Lithium-Ion Batteries

두 번째 연구에서는 리튬 전구체 종류에 따른 바인더 구조 변화를 체계적으로 분석하고, 최적의 사전리튬화 조건을 도출했다. 이를 통해 고분자 네트워크 설계와 사전리튬화 조건 최적화가 실리콘 음극의 기계적 안정성과 전기화학적 안정성을 동시에 확보할 수 있음을 입증했다. 해당 연구는 송민주 석박통합과정생, 황종하 박사, 박민지 석사과정생이 공동 제1저자로, 이태경 교수(경상국립대), 충남대 송슬기, 송우진 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

□ 논문 제목: A Study on Polymer Binders for High-Capacity Silicon Anode: Effect of Prelithiation Precursors

이번 두 연구에서 개발된 실리콘 음극용 고분자 바인더 기술은 실리콘의 고용량 특성을 안정적으로 구현할 수 있어, 향후 차세대 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도 향상과 장기 안정성 확보에 크게 기여할 것으로 기대된다.

송 교수는 “이번 연구에서 제시한 바인더 사전리튬화 전략과 고분자 구조 제어 기반 설계는 실리콘 음극의 안정성과 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 핵심 기술”이라며, “리튬 이온 배터리의 상용화를 앞당길 수 있는 원천 기술로 발전할 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 우수신진과제사업, 차세대이차전지전문인력양성사업, 글로벌 기초연구실사업의 지원을 받아 수행됐다.