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차세대 이차전지 토탈시스템 개발

이승훈(Michael J. Lee)(경희대학교 기계공학과 조교수)/michael.lee at khu.ac.kr/ 2024.05.27

1. 본인의 연구를 대략적으로 소개해주세요.

- 안녕하세요. 저는 Mechano-Materials and Energy Laboratory(기계-재료 에너지 연구실)의 연구책임자인 이승훈 교수입니다. 저는 Georgia Institute of Technology(조지아공대)에서 기계공학 박사학위를 취득하였으며, 극저온에서 구동 가능한 이차전지와 화재 위험성으로부터 안전하면서도 고성능을 발휘하는 전고체전지에 대해 연구해왔습니다. 저희 연구실은 재료과학과 전기화학에 대한 기초적인 이해를 바탕으로, 탄소중립을 위한 차세대 이차전지의 새로운 에너지 소재 합성, 실증화를 위한 차세대 이차전지 공정 기술 개발, 재활용 및 새로운 가치 창출을 위한 업사이클링에 관한 혁신적인 기술을 개발하고 있습니다.

2. 소재-합성-공정-제작-재활용 복합체계를 구축하여 차세대 이차전지 토탈 시스템을 개발하는 과정에서 가장 중요한 기술적 도전은 무엇이며, 이를 극복하기 위한 전략은 어떻게 되나요?

- 차세대 이차전지의 토탈 시스템은 소재 합성, 공정, 제작, 재활용까지의 모든 과정을 포괄해야 하며, 이는 각기 다른 공학적 이해를 기반으로 구축되어야 합니다. 따라서 소재 개발의 초기 이론적 설계 단계에서부터 해당 물질의 물리화학적 특성이 추후 재활용 과정에 미치는 영향을 고려해야 합니다. 또한 소재 및 합성 과정은 소규모 연구실 단위를 넘어 실증화가 가능하도록 대량화가 필요합니다. 이는 제작된 이차전지의 성능 향상과 재활용 단계에서 친환경적인 방법으로 초기 소재의 회수율을 높이는 데 기여할 것입니다.

물론, 이 모든 복합 체계를 한 번에 구축하는 것은 어려울 것입니다. 따라서 각 과정에서 핵심 기술을 개발하는 데 초점을 맞추고, 각 기술에 사용된 개념을 활용하는 방식을 취할 것입니다. 각 부분의 기술 개발 시 사용된 개념 혹은 기전을 기반으로 다양한 요소, 특성, 형상학적 관점 등의 지표를 활용하여 각 부분의 상관관계를 명확히 규명하고, 이를 바탕으로 모든 과정을 하나로 통합하는 것을 목표로 합니다.

이를 위해 저희 연구실은 네 가지 핵심 요소를 중심으로 연구하고 있습니다:

1. 소재의 재료적 관점에서의 기초 연구: 형상학적, 물리화학적, 전기화학적 다양한 공학적 요소에 대한 이해를 목표로 합니다.

2. 이차전지 성능 향상: 이러한 특성을 바탕으로 이차전지의 필수 요소들의 성능을 향상시켜 이차전지의 수명과 에너지 밀도를 높이고자 합니다.

3. 실증화 및 대량화를 위한 공정 기술 개발: 기존 이차전지 기술은 전고체전지를 포함한 차세대 이차전지 기술을 공정에 적용시키기 어렵기 때문에, 이를 위한 최적화된 공정을 롤투롤(roll-to-roll) 공정을 기반으로 개발하고자 합니다.

4. 친환경적인 재활용 방법 개발: 독성 물질이나 높은 열에너지를 사용하는 대신 친환경적인 방법으로 희귀금속을 회수하고, 업사이클링에서는 기존에 사용되지 않던 폐자원이나 폐기물을 활용하고자 합니다.

3. 이차전지의 재활용 및 업사이클링을 위한 기술적 도전과제는 무엇이며, 이를 해결하기 위한 연구 방향은 어떻게 되는지 설명해 주실 수 있나요?

- 이차전지의 사용량 증가에 따라 폐전지의 양도 늘어나고 있습니다. 따라서 이차전지의 재활용 기술 개발은 환경적으로도 매우 중요한 주제입니다. 이를 해결하기 위해 저희 연구실은 다양한 관점에서의 접근을 통해 이차전지를 재활용하는 기술 외에도, 기존의 정해진 가치에서 새로운 고차원의 가치를 창출해낼 수 있는 업사이클링 기술 또한 개발하고자 합니다. 주요 기술적 도전과제는 다음과 같습니다:

- 친환경적인 방법으로 양극에서 희귀금속을 회수하는 기술을 개발합니다. 이는 환경에 해를 끼치지 않게 하거나 그 정도를 획기적으로 감소시켜 고가의 희귀금속을 효율적으로 회수하는 것을 목표로 합니다.

- 기존의 이차전지 재활용은 사용 후 이차전지를 분해, 분리 및 분쇄 등을 하여 원재료를 회수하는데, 원재료 회수를 하기 위한 단계인 분리 및 분쇄까지 하지 않고 이차전지의 성능을 재생하는 직접 재활용 방법을 연구합니다. 이를 위해 첨가제 등을 통해 전지의 성능을 회복시키는 기술을 개발합니다. 이 방법은 원재료를 얻기 위해 사용하는 유독성 물질 및 높은 온도의 소성 과정 등을 없애거나 최소화하여 비용 절감 및 자원을 효율적으로 활용할 수 있습니다.

- 폐자원과 폐물질의 계면 에너지 및 작용기 등을 조절하며 탄화하여 물리화학적 성질을 제어함으로써 이차전지의 구성 요소로 활용할 수 있게 업사이클링 기술을 연구하고자 합니다. 이러한 연구는 이온 전지의 음극, 금속 전지의 음극 보호재 및 전해질로 활용할 수 있을 것으로 예상합니다.

4. 조지아 공대에 계실때 이차전지에 사용되는 발화성이 높은 액체전해질을 고체로 대체한 전고체 리튬메탈전지(all-solid-state Li-metal battery)를 개발하신걸로 알고 있습니다. 어떤 특징과 장점들이 있는지 소개해 주세요.

- 전고체 리튬 금속 전지(all-solid-state Li-metal battery)는 이차전지에 사용되는 휘발성 높은 액체 전해질을 고체로 대체해 화재 및 안전사고를 막을 수 있는 미래 기술입니다. 이 전지는 현재 상용화된 리튬이온전지(Li-ion battery)에 비해 에너지 밀도를 획기적으로 향상시켜 자동차 주행거리와 안전 문제를 해결할 수 있습니다.

저희는 상온에서 리튬 이온의 전도도가 탁월하고 기계적 신축성이 뛰어난 엘라스토머(고무) 형태의 고분자 전해질을 개발했습니다. 엘라스토머는 높은 신축성을 가지나 이온전도도가 낮음으로 인해 이차전지에서의 사용이 어려웠습니다. 그러나, 엘라스토머 전해질의 특수한 상분리 구조를 형성하여 이를 극복했고, 이를 전고체전지에 적용해 410Wh/kg의 세계 최고 성능을 보이는 전고체 리튬 금속 전지를 구현했습니다. 이 기술을 도입하면, 현재 500km 수준인 전기자동차의 주행거리가 한 번 충전으로 800km까지 가능해질 것으로 기대됩니다. 또한, 기존 리튬이온전지의 안정성도 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.(https://www.youtube.com/watch?v=4iLjO_KQofs)

고체 전해질은 크게 고분자 기반, 산화물 기반, 황화물 기반으로 나뉩니다. 현재 황화물 기반 전해질이 가장 활발히 연구되고 있으나 가격이 매우 비쌉니다. 고분자 기반 고체 전해질은 원료가 저렴하고 저온 대량생산 공정이 가능하며 가벼운 장점을 갖고 있지만, 상온에서 낮은 이온 전도도와 충방전 시 안정성이 떨어지는 문제점이 있습니다.

저희는 고무처럼 신축성이 뛰어난 엘라스토머 내부에 리튬 이온 전도도가 매우 높은 플라스틱 결정 물질을 3차원적으로 연결한 엘라스토머 고분자 고체 전해질을 개발했습니다. 이 전해질은 기존 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 기반 고분자 전해질에 비해 100배 정도 향상된 10-3 S/cm의 이온 전도도를 가집니다. 또한, 신축성이 우수한 전해질은 전지 충방전 시 안정성에 가장 큰 문제가 되는 리튬 덴드라이트(dendrite)의 성장을 억제해 탁월한 전지 성능 및 안정성을 확보했습니다.

개발된 고분자 전해질은 얇은 리튬 금속 음극과 니켈 리치 양극(NCM-Ni83)으로 구성된 전고체전지에서 4.5V 이상의 고전압에서도 안정적으로 구동되었으며, 410 Wh/kg 이상의 세계 최고 에너지 밀도를 달성했습니다.

5. 전고체 전지 기술의 상용화를 위해서는 어떤 어려움이나 해결 과제가 있을까요? 또한 이번 연구를 통해 얻은 결과가 다른 연구 분야나 산업에 어떤 영향을 미칠 수 있을까요?

- 현재 전고체 전지 기술의 상용화를 위해 많은 기업과 기관에 속한 연구자들께서 다양한 연구를 진행하고 있습니다. 크게 알려진 어려움 중에는 대표적으로 많이 사용하는 산화물과 황화물 소재 자체의 가격 그리고 이를 제작하기 위한 공정 문제가 있습니다. 물론 리튬의 가격 변동은 피할 수 없지만, 최근 쉽고 싼 합성 방법의 연구 및 기술 개발을 통해 대량화 시 가격적인 부담을 어느 정도 해소할 수 있을 것으로 보입니다. 그다음은 공정적인 문제입니다. 보통 산화물과 황화물은 고온 소성과정 혹은 높은 압력 과정을 포함한 복잡한 공정 방식을 가지고 있는데, 이는 현재 리튬 이온전지의 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 적합하지 않아 새로운 공정 시스템을 갖춰야 하며 이를 위한 설비를 갖추는 데 있어서도 제한이 있습니다.

저희가 개발한 엘라스토머 전해질은 초기 액체 상태의 전구체의 중합을 통해 합성할 수 있어 롤투롤 공정에도 적합하며 가격적으로도 상대적으로 저렴한 편에 속합니다. 황화물과 산화물의 직접적인 상용화에 따르는 어려움을 극복하기 전에 이러한 고분자 전해질 혹은 이온전도성과 기계적 특성을 가지는 고분자 전해질은 앞으로 다양한 이차전지 산업에 적용될 수 있을 것으로 예상합니다.

추가적으로 제가 새롭게 연구하는 분야로는 웨어러블 혹은 의료기기에 사용하는 이차전지에 활용할 수 있는 늘어나는 이차전지입니다. 현재 구부러질 수 있는 이차전지는 다양한 방식으로 연구가 되어왔고 발전했습니다. 그러나, 늘어나는 이차전지의 연구 단계는 굉장히 초기 상태입니다. 그 어려움 중 하나는 늘어날 수 있는 전극도 있지만, 늘어날 수 있는 전해질의 개발이 미비하기 때문입니다. 저희 연구실에서는 높은 신축성과 이온전도도를 가지는 엘라스토머 전해질을 활용하여 늘어나는 이차전지를 개발하고자 합니다. 해당 기술은 단순히 VR 기기와 같은 사용자의 편리함 및 즐거움을 주는 어플리케이션뿐만 아니라, 현재 충전이 불가능하여 10년가량의 수명을 가지는 1차전지가 활용되는 페이스메이커의 충전 및 방전이 가능한 이차전지로 대체하는 연구를 진행하고자 합니다. 해당 기술을 통해 수술 리스크를 극복하고 안전한 사용이 가능하게끔 하여 사람들을 이롭게 하는 것이 목표입니다.

6. 현재 운영 중인 경희대학교 Mechano-Materials and Energy Lab.에 대해 간단히 소개해 주세요.

- 저희 Mechano-Materials and Energy Laboratory는 경희대학교 국제캠퍼스에 위치하고 있습니다. 현재 연구책임자인 이승훈 교수와 함께 3명의 대학원 예비 입학 학부생, 그리고 6명의 석사 진학 예정 학부 연구생/인턴으로 구성되어 있습니다. 2024년 1학기 기준으로 저희 연구실은 기계공학, 전기화학, 화학공학, 재료공학을 융복합적으로 활용하여 고성능 및 고안정성 차세대 이차전지과 새로운 공정 기술을 개발에 중점을 두고 연구를 진행하고 있습니다. 또한, 지속 가능한 에너지 시스템을 구축하여 탄소 중립 목표에 기여하고자 다양한 관점에서의 친환경 재활용과 폐기물(폐자원)의 업사이클링 기술을 연구하고 있습니다. 저희 연구실은 창의적이고 혁신적인 연구를 진행할 수 있는 역량을 갖춘 학생연구자와 포닥 연구자분들을 환영합니다. 다양한 에너지 분야의 다학제적 연구를 수행하고자 하는 열정 있는 연구자분들의 많은 지원을 바랍니다.

7. 연구를 진행하면서 많은 분들로부터 영향을 받았을 것으로 생각됩니다. 어떤 연구자들로부터 어떤 영향을 받았는지 궁금합니다.

- 저에게 가장 큰 영향을 주신 연구자는 지도 교수님이셨던 조지아 공대의 이승우 교수님이십니다. 기계공학과에서 학부 연구생부터 박사 후 연구원까지 8년가량 지도 교수님과 함께 연구를 했습니다. 그 과정에서 연구와 교육 철학 등에 대해 많은 영향을 받고, 직간접적으로 배우고 느낄 수 있었습니다. 연구를 접근하는 방식부터 시작하여 연구를 할 때의 자세나 마음가짐까지도 항상 가까이서 지도해주셨습니다. 제가 개인적이나 연구적으로 어려운 상황에 놓였을 때마다 돌파구에 대한 방향 제시 또한 너무 도움이 되었습니다. 지금 돌이켜 생각해도 항상 곁에서 응원해주신 부모님 다음으로 제가 항상 감사하고, 제게는 개인적으로 제2의 아버지와 같은 분이십니다.

또한 저에게 큰 영향을 주신 다른 연구자 분이 계십니다. 저의 직접적인 지도 교수님은 아니셨지만, 제가 개인적으로 제2의 지도 교수님이라 생각하는 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과의 김범준 교수님이십니다. 엘라스토머 전해질 개발과 같은 고차원적 연구를 위한 공동연구를 할 때부터 항상 저희가 연구적으로 접근하는 데 있어 핵심적인 가이드를 주시며 저를 세심히 챙겨주시고, 연구를 바르고 꾸준히 할 수 있게 조언을 아끼지 않으시고 도와주셨습니다. 항상 부족함만을 보여드렸던 것 같은데 이번 신진 연구자 인터뷰를 통해 이승우 교수님, 김범준 교수님께 감사함을 간접적으로나마 표현할 수 있어 매우 기쁩니다.

두 분 교수님도 계시지만, 저와 항상 연구하며 동고동락했던 동료 연구자들에게도 많은 영향을 받았습니다. 저의 부사수로서 저에게 배웠지만, 지내며 오히려 제가 보고 더 배울 수 있게 해준 이경빈 박사와 엘라스토머 전해질 개발을 위해 같이 많은 시간을 함께 고민하고 연구를 위한 열정, 연구에 대한 마음가짐 등에 대해 영향을 준 한정훈 박사가 있습니다.

8. 연구 활동을 통해 느끼신 점, 자부심, 보람 등에 대해 이야기해 주실 수 있을까요?

- 먼저, 저의 개인적인 학부연구생부터 박사 후 연구원까지의 연구 여정을 살펴보았을 때, 역설적이지만, 길지만 굉장히 짧게 느껴졌습니다. 그리고 돌이켜보면, 항상 몰랐던 것 투성이였던 것 같습니다. 그러나, 몰랐던 덕분에, 몰랐기에 도전해볼 수 있었고, 부족한 점을 메꾸기 위해 노력했던 것 같습니다. 저뿐 아니라 많은 분들에게도 적용될 것 같은 것이라 자부심이라고 하기는 어렵지만, 저의 즐거움은 연구를 하는 것 자체에서 오는 것 같습니다. 난제와 같은 어려운 부분, 현재 기술의 한계를 극복하기 위해 또 다른 한계를 마주하는 저 자신을 보며, 연구하여 기술을 개발함에 있어 저 또한 성장하는 것 같습니다. 저는 이제 또 다른 출발선에 서있다고 생각합니다. 그러므로, 저의 새로운 출발점에서 저는 저와 함께하는 혹은 함께할 동료 연구자들이 세상을 위한 연구를 하는데 있어 자부심과 보람을 함께 느낄 수 있다면, 그것이 앞으로 저의 보람이 될 것 같습니다.

9. 이 분야로 진학하려는 후배들에게 어떤 조언을 해 주시겠습니까? (또는 이 분야로 창업하려는 사업가들에게 어떤 조언을 해 주시겠습니까?)

- 에너지 분야는 이차전지를 포함하여 다양한 에너지 시스템이 존재합니다. 기존에는 이를 위해 한 분야에 대한 학문적 지식을 바탕으로 연구를 진행해왔지만, 현재는 다양한 공학적 지식 혹은 그 밖의 지식을 활용하는 융복합적인 사고를 요구하기도 합니다. 저 또한 학부부터 박사까지 기계공학도로서 처음에는 낯선 전기화학, 재료공학, 화학공학 바탕의 개념에 어려움을 겪었으나, 모든 것과 누구에게나 처음이 존재하는 것처럼 이는 잠시 스쳐지나가는 어려움이고 극복이 어렵지 않다고 생각합니다. 이와 더불어, 이차전지 분야는 에너지 분야의 핵심 분야 중 하나로 반도체 등과 더불어 국가 기술이로서 앞으로의 발전 가능성과 무궁무진한 활용이 가능할 것이라 예상됩니다. 비록, 기계공학과 내에서는 이차전지 분야가 상대적으로 낯설고 어려워 보일 수 있으나, 앞으로는 기존 소재적 관점에서의 개발뿐 아니라 인공지능, 공정기술 개발 등과 같이 미래를 위한 차세대 기술들의 중요도가 높아질 것이라 생각됩니다. 점점 과학 기술의 발전이 가속함에 따라 해당 에너지 분야 또한 빨라질 것이고, 그 중심에 기계공학적 개념과 기술이 적용이 될 것이라 생각됩니다. 그렇기에 모르는 것의 두려움보다는 도전적이면서 진취적인 마음으로 고정된 시야를 확장할 수 있으면 좋을 것 같습니다.

* 이승훈 교수의 최근(대표) 논문 5개 이하

1. M. J. Lee†, J. Han†, K. Lee, Y. J. Lee, B. G. Kim, K. Jung, B. J. Kim*, S. W. Lee*, Elastomeric electrolytes for high-energy solid-state lithium batteries. Nature, 601, 217-222, 2022. (Co-first author†)

2. J. Han†, M. J. Lee†, K. Lee, Y. J. Lee, W. Lee, S. W. Lee*, B. J. Kim*, Role of Bicontinuous Structure in Elastomeric Electrolytes for High-Energy Solid-State Lithium-Metal Batteries. Advanced Materials, 35, 2205194, 2023. (Co-first author†)

3. K. Lee†, M. J. Lee†, J. Lim, K. Ryu, M. Li, S. Noda, S. J. Kwon*, S. W. Lee*, Controlled Nitrogen Doping in Crumpled Graphene for Improved Alkali Metal-Ion Storage under Low-Temperature Conditions. Advanced Functional Materials, 33, 2209775, 2023. (Co-first author†)

4. J. Han†, M. J. Lee†, J. H. Min, K. H. Kim, K. Lee, S. H. Kwon, J. Park, K. Ryu, H. Seong, H. Kang, E. Lee*, S. W. Lee*, B. J. Kim*, Fluorine-Containing Phase-Separated Polymer Electrolytes Enabling High-Energy Solid-State Lithium Metal Batteries. Advanced Functional Materials, 34, 2310801, 2024. (Co-first author†)

5. S. H. Kwon†, M. J. Lee†, J. Han, J. H. Min, S. Kim, S. Y. Kim, J. Park, E. Lee, S. W. Lee*, B. J. Kim*, Tuning phase structures of in situ polymerized elastomeric electrolytes via monomer structure engineering for achieving high stability in solid-state lithium metal batteries. J. Mater. Chem. A, 12, 3460-3469, 2024. (Co-first author†)

Solid-state batteries
electrolytes
multivalent metal batteries
Recycling-upcycling
low-temperature operation

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