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- [학생실적] 2026-2학기 개강 총회
- ○ 일시: 2026. 9. 15.(화) 18:30~ ○ 장소: 51307호 및 명륜진사갈비 ○ 참석자: 총 23명(학생 23명)
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- 작성일 2026-09-18
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- [연구] 배터리학과 윤원섭 교수와 경북대 이원태 교수의 공동연구결과 출판
- 차세대 고용량 배터리 설계 원리 제시 산소 반응 안정화로 성능, 수명 동시 향상 1천km급 전기차 전고체 배터리 상용화 기대 재료공학 분야 국제학술지 표지논문으로 게재 경북대학교와 성균관대학교, 경희대학교 공동연구팀이 차세대 고용량 배터리의 핵심 난제로 꼽히는 산소 반응의 불안정성을 해결할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했다. 경북대는 화학교육과 이원태 교수 연구팀이 성균관대 윤원섭 교수, 경희대 박민식 교수 연구팀과 공동으로 리튬이 풍부한 니켈 기반 양극 소재에서 충전 과정 중 발생하는 산소 반응을 안정적으로 제어할 수 있는 구조 설계 원리를 규명했다고 8일 밝혔다. 고에너지 밀도 리튬이온배터리를 구현하기 위해서는 양극 소재의 에너지 저장 능력을 높여야 한다. 최근에는 기존 전이금속 산화·환원 반응뿐 아니라 산소까지 전기화학 반응에 참여시키는 '음이온 산화·환원(anionic redox)' 기반 고용량 양극 소재가 차세대 배터리 기술로 주목받고 있다. 하지만 이들 소재는 충전 과정에서 결정 구조에 결합된 산소가 기체 형태로 방출되면서 구조 붕괴와 미세 균열이 발생해 배터리 성능과 수명이 급격히 저하되는 문제가 있어 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다. 연구팀은 리튬니켈옥사이드(Li₂NiO₂) 계열 양극 소재에 소량의 플루오린(F)을 도입하는 원자 수준의 설계 전략을 적용했다. 플루오린이 첨가되면 소재 내부에 리튬-산소-금속-플루오린(Li-O-M-F) 결합 구조가 형성돼 산소의 전자 상태를 안정화하고, 충전 과정에서 산소가 기체로 방출되는 시점을 늦춰 반응을 안정적으로 유지하는 것으로 나타났다. 실험 결과 산소 방출은 효과적으로 억제됐고, 대신 니켈 이온이 전기화학 반응에 더 크게 기여하면서 구조 붕괴와 미세 균열이 감소했다. 이에 따라 배터리의 수명과 구조적 안정성이 동시에 향상된 것으로 확인됐다. 연구팀은 이번 연구가 고에너지 밀도 배터리의 성능과 안전성을 함께 높일 수 있는 새로운 설계 전략을 제시한 것으로, 차세대 전기차와 에너지저장장치(ESS), 전고체 배터리 등에 적용될 고용량 양극 소재 개발에 활용될 것으로 기대하고 있다. 이원태 경북대 교수는 "리튬이 풍부한 차세대 양극 소재의 고질적인 산소 불안정성을 해결할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 있다"며 "원자 수준의 구조 제어를 통해 산소 반응과 구조 안정성을 동시에 확보할 수 있음을 규명했다"고 말했다. 이어 "이번 설계 전략은 1천㎞급 장거리 전기차 구현에 필요한 차세대 고용량 배터리는 물론, 전고체 배터리와 휴머노이드 로봇 등 피지컬 AI 시스템에 활용될 고에너지 저장 기술 개발에도 기여할 것으로 기대된다"고 밝혔다. 이번 연구 결과는 재료공학 분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF 29.1, JCR 1.8%)' 지난달 23일자 표지 논문으로 게재됐다. ● 논문 제목: A Design Strategy for Durable Anionic Redox via Fluorine-Induced Electronic Structure Modulation in In Situ Formed Disordered Phases ● 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adma.202518963
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- 작성일 2026-09-03
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- [학생실적] 2026-1학기 종강 총회
- ○ 일시: 2026. 6. 18.(목) 13:00 ○ 장소: 51307호 및 수원역 애슐리 퀸즈 ○ 참석자: 총 26명(학생 26명)
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- 작성일 2026-08-04
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- [학생실적] 2026-1학기 개강 총회
- ○ 일시: 2026. 3. 13.(금) 18:00 ○ 장소: N센터 86120호 및 인근 식당 ○ 참석자: 총 24명(학생 24명)
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- 작성일 2026-08-04
- 조회수 482
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- [연구] 배터리학과 김기재 교수, 전기차 주행거리 획기적으로 늘릴 고용량 배터리 신소재 개발
- 배터리학과 김기재 교수팀, 전기차 주행거리 획기적으로 늘릴 고용량 배터리 신소재 개발 스판덱스 기반의 새로운 '하이브리드 고분자 바인더' 개발로 고에너지 밀도 배터리용 고성능 후막 전극 완성 기존 대비 배터리 수명 2배 이상 향상… 대량 생산 가능한 습식 공정으로 상용화 기대감 높여 에너지과학과 및 미래에너지공학과 김기재 교수 연구팀이 서울대학교 최장욱 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 리튬 이온 배터리의 에너지를 획기적으로 높이면서도 수명을 늘릴 수 있는 고성능 후막 전극용 '하이브리드 고분자 바인더'를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 전기차와 스마트폰의 배터리 용량을 늘리기 위해 전극을 두껍게 만들 때 습식공정에서 발생하는 고질적인 바인더 분산문제와 성능 저하 문제를 해결할 수 있는 기술을 제시했다. 최근 배터리 학계와 산업계에서는 전기차의 주행거리를 늘리기 위해 배터리 내부의 핵심 부품인 전극에 니켈 성분이 많은 고용량 양극 소재(Ni-rich layered cathode)를 더 많이, 더 두껍게 쌓는 '고로딩 전극' 기술을 활발히 연구하고 있다. 그러나 기존에 쓰이던 PVDF 바인더 소재는 두꺼운 전극 제조시 건조 과정에서 바인더가 위로 떠오르거나 전극이 쉽게 갈라지고 부서지는 치명적인 약점이 있었다. 이 때문에 배터리의 전극의 기계적 강도 악화 및 리튬이온 전도도 약화로 배터리 수명이 급격히 줄어들었다. 김기재 교수 공동 연구팀은 우리가 흔히 입는 신축성 좋은 옷감인 '스판덱스(SPDX)'와 '폴리아크릴산(PAA)'이라는 두 가지 전혀 다른 성질의 고분자를 복합화하여 새로운 형태의 '듀얼 액팅 하이브리드 고분자(DHP)' 바인더로 전극에 적용했다. 이 새로운 바인더는 스판덱스의 우수한 신축성 및 폴리아크릴산의 전극 내부 물질과의 우수한 상호작용 덕분에 두꺼운 전극을 만들어도 전혀 갈라지거나 부서지지 않는 단단한 구조를 유지하게 돕는다. 실험 결과, 연구팀이 개발한 바인더를 사용한 전극은 기존 PVDF 바인더보다 무려 2배 가까이의 강한 접착력을 나타냈다. 특히 초기 충·방전 과정에서 리튬 이온의 이동을 촉진하는 'Li-PAA 인터페이스'를 자발적으로 형성하여, 전극 내부에서 리튬 이온이 더욱 빠르고 균일하게 이동하도록 함으로써 후막 전극의 전기화학적 성능을 향상시키는 새로운 작동 메커니즘을 확인했다. 나아가 연구팀은 이 신소재 바인더를 적용해 실제 산업에서 쓰이는 형태인 대용량 '파우치형 배터리 셀'을 제작해 검증을 진행했다. 그 결과, 기존 바인더를 사용한 배터리는 약 95회 만에 수명이 다해 용량이 급격히 떨어진 반면, 연구팀이 개발한 하이브리드 바인더를 적용한 배터리는 200회가 넘는 충·방전 반복 후에도 초기 용량의 86.8%를 안정적으로 유지하며 수명이 2배 이상 향상되는 우수한 성능을 입증했다. 이번 연구 성과는 제조 공정을 바꾸거나 배터리 설비를 새로 구축할 필요없이, 기존의 '습식 제조 공정'을 그대로 사용하면서 고용량 배터리를 만들 수 있어 산업적 가치가 매우 높다. 또한 이번 기술은 고분자의 물리·화학적 특성과 이온 전달 메커니즘을 효과적으로 활용하여 실제 산업의 난제를 해결한 모범적인 사례다. 김기재 교수는 "그동안 전극을 두껍고 크게 만들 때 바인더 및 공정상 문제로 배터리의 성능이 제한되는 한계가 있었는데, 스판덱스와 폴리아크릴산의 장점을 효율적으로 결합해 이를 극복했다"며 "이번에 개발한 바인더 기술은 최근 차세대 배터리 제조기술로 주목받는 건식 공정을 도입하지 않고도 기존 습식 생산 공정을 그대로 활용할 수 있어 산업 적용성이 높으며, 차세대 전기차의 주행거리 향상에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대한다."고 전했다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 '리튬메탈음극 범용적 활용을 위한 모듈형 LEA(Lithium Electrode Assembly) 핵심기술 개발' 및 '한계돌파형 차세대 이차전지 산업수요 대응을 위한 미래선도 인재 양성' 연구과제를 통해 수행되었다. ※ 논문명: Wet-processed high-areal-capacity electrodes via transformative spandex–poly(acrylic acid) binder toward 450 Wh kg-1 lithium-ion batteries ※ 저널명: Nature Communications ※ 논문링크: https://doi.org/10.1038/s41467-026-76014-4
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- 작성일 2026-07-31
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