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이준형 교수, 스탠퍼드대·SLAC와 국제공동연구 성과… Nature Energy·Nature 게재
- 등록일
- 2026-07-09 10:33
- 작성자
- 관리자
- 조회수
- 278
- 게시기간
- 2026-07-09 ~ 2031-07-31
신소재공학과 이준형 교수는 미국 스탠퍼드대학교 재료공학과 및 SLAC(Stanford Linear Accelerator Center, 스탠퍼드 선형가속기 국립연구소) 연구진과 지속적인 국제공동연구를 수행해오고 있으며, 그 성과로 공동저자로 참여한 연구논문 2편이 Nature Energy(IF=70)와 Nature(IF=56)에 각각 게재됐다.
첫 번째 논문인 ‘Uniform pore structure enables negligible degradation in undoped and uncoated Ni-rich cathodes’는 2026년 3월 Nature Energy에 게재됐으며, 리튬이온전지 양극재의 새로운 합성 공정을 제시한 연구다. 기존 리튬이온전지 양극재는 고전압 상전이 문제를 해결하기 위해 도핑, 코팅, 농도구배와 같은 복잡한 나노구조 설계에 크게 의존해왔다. 연구진은 기존 합성 양극재를 분석한 결과, 화학-기계적 열화 현상이 소성(calcination) 과정에서 발생하는 원료 고체 입자 간 불균일한 접촉과 이로 인해 형성되는 나노스케일 기공과 밀접하게 관련되어 있음을 확인했다.
이를 바탕으로 연구진은 고온 합성 과정에서 온도를 급격히 상승시켜, 용융온도가 낮은 LiOH가 고체 상태의 전구체와 반응이 완료되기 전에 일시적으로 액체 상태로 존재하도록 유도했다. 이를 통해 기존의 고상-고상 계면 반응을 액상-고상 계면 반응으로 전환할 수 있었으며, 액상 LiOH는 강한 모세관 힘에 의해 고체 입자 사이를 빠르게 침투해 입자를 효과적으로 적심으로써 반응물질 간 접촉면적을 확대하고 조성 분포를 균질하게 만들었다. 그 결과 미세구조가 균일하게 발달하고 조성 균일성이 크게 향상됐으며, 양극재의 변형 에너지가 효과적으로 분산되어 고전압 상전이가 존재함에도 우수한 사이클 수명과 전기화학적 성능을 구현할 수 있었다. 이번 연구는 복잡한 추가 공정 없이 단순한 열처리 공정 개선만으로도 높은 사이클 안정성을 갖는 양극재 합성이 가능함을 보여줬다는 점에서 의미가 크다.
두 번째 논문인 ‘Dendrite initiation and deflection in biaxially stressed solid electrolytes’는 2026년 7월 Nature에 게재됐으며, 차세대 전고체전지용 리튬 이온전해질 소재의 안정성 향상에 관한 연구다. 전고체전지는 에너지 밀도와 안전성 측면에서 장점이 크지만, 낮은 충전 속도에서도 리튬 덴드라이트의 생성과 전파로 인한 전기적 단락이 발생하는 문제가 있다. 그동안 덴드라이트는 고체전해질 표면에서 시작되어 내부로 전파되는 것으로 알려져 왔다.
그러나 이번 연구에서 연구진은 형상기억합금을 이용해 고체전해질에 이축 압축응력(biaxial stress)을 가한 상태에서 충·방전 시 리튬의 석출 및 성장 거동을 분석한 결과, 덴드라이트가 고체전해질 내부에서도 생성될 수 있음을 직접 입증했다. 또한 기존 연구에서는 약 1 mA/cm² 수준의 낮은 전류밀도에서도 덴드라이트 성장으로 인한 전기적 단락이 보고된 바 있으나, 이축 압축응력을 인가할 경우 전해질 내부에 다수의 덴드라이트가 생성되더라도 그 성장 방향이 전기장에 수직으로 편향되어 100 mA/cm²의 극한 고속 충전 조건에서도 단락 없이 장시간 안정적인 충·방전이 가능함을 확인했다.
아울러 극한 환경에서 장시간 충·방전한 후 전해질 내부의 결정립계(grain boundary) 접합부와 기공(pore)에서 고립된 리튬 침착물이 관찰됐으며, 연구진은 이것이 내부 덴드라이트의 개시 지점으로 작용함을 확인했다. 이번 연구는 덴드라이트의 표면 개시와 내부 개시 메커니즘을 하나의 틀로 통합하고, 이축 압축응력이 두 메커니즘 모두에서 단락을 방지할 수 있음을 제시했다는 점에서 학술적 의의가 크다. 특히 이번 연구에는 본 연구실의 김승현 박사과정생도 참여해 공동저자로 이름을 올렸다.
현재 이준형 교수는 스탠퍼드대학교 연구진과 함께 차세대 에너지저장장치인 나트륨이온전지 분야에 대한 공동연구도 진행하고 있다. 이번 성과는 국제공동연구를 기반으로 한 세계적 수준의 연구역량을 보여주는 사례로, 향후 우수한 연구성과 창출과 글로벌 연구협력 확대에 대한 기대를 높이고 있다.
*Web Link
- Nature: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10734-x
- Nature Energy: https://doi.org/10.1038/s41560-026-01988-w
첫 번째 논문인 ‘Uniform pore structure enables negligible degradation in undoped and uncoated Ni-rich cathodes’는 2026년 3월 Nature Energy에 게재됐으며, 리튬이온전지 양극재의 새로운 합성 공정을 제시한 연구다. 기존 리튬이온전지 양극재는 고전압 상전이 문제를 해결하기 위해 도핑, 코팅, 농도구배와 같은 복잡한 나노구조 설계에 크게 의존해왔다. 연구진은 기존 합성 양극재를 분석한 결과, 화학-기계적 열화 현상이 소성(calcination) 과정에서 발생하는 원료 고체 입자 간 불균일한 접촉과 이로 인해 형성되는 나노스케일 기공과 밀접하게 관련되어 있음을 확인했다.
이를 바탕으로 연구진은 고온 합성 과정에서 온도를 급격히 상승시켜, 용융온도가 낮은 LiOH가 고체 상태의 전구체와 반응이 완료되기 전에 일시적으로 액체 상태로 존재하도록 유도했다. 이를 통해 기존의 고상-고상 계면 반응을 액상-고상 계면 반응으로 전환할 수 있었으며, 액상 LiOH는 강한 모세관 힘에 의해 고체 입자 사이를 빠르게 침투해 입자를 효과적으로 적심으로써 반응물질 간 접촉면적을 확대하고 조성 분포를 균질하게 만들었다. 그 결과 미세구조가 균일하게 발달하고 조성 균일성이 크게 향상됐으며, 양극재의 변형 에너지가 효과적으로 분산되어 고전압 상전이가 존재함에도 우수한 사이클 수명과 전기화학적 성능을 구현할 수 있었다. 이번 연구는 복잡한 추가 공정 없이 단순한 열처리 공정 개선만으로도 높은 사이클 안정성을 갖는 양극재 합성이 가능함을 보여줬다는 점에서 의미가 크다.
두 번째 논문인 ‘Dendrite initiation and deflection in biaxially stressed solid electrolytes’는 2026년 7월 Nature에 게재됐으며, 차세대 전고체전지용 리튬 이온전해질 소재의 안정성 향상에 관한 연구다. 전고체전지는 에너지 밀도와 안전성 측면에서 장점이 크지만, 낮은 충전 속도에서도 리튬 덴드라이트의 생성과 전파로 인한 전기적 단락이 발생하는 문제가 있다. 그동안 덴드라이트는 고체전해질 표면에서 시작되어 내부로 전파되는 것으로 알려져 왔다.
그러나 이번 연구에서 연구진은 형상기억합금을 이용해 고체전해질에 이축 압축응력(biaxial stress)을 가한 상태에서 충·방전 시 리튬의 석출 및 성장 거동을 분석한 결과, 덴드라이트가 고체전해질 내부에서도 생성될 수 있음을 직접 입증했다. 또한 기존 연구에서는 약 1 mA/cm² 수준의 낮은 전류밀도에서도 덴드라이트 성장으로 인한 전기적 단락이 보고된 바 있으나, 이축 압축응력을 인가할 경우 전해질 내부에 다수의 덴드라이트가 생성되더라도 그 성장 방향이 전기장에 수직으로 편향되어 100 mA/cm²의 극한 고속 충전 조건에서도 단락 없이 장시간 안정적인 충·방전이 가능함을 확인했다.
아울러 극한 환경에서 장시간 충·방전한 후 전해질 내부의 결정립계(grain boundary) 접합부와 기공(pore)에서 고립된 리튬 침착물이 관찰됐으며, 연구진은 이것이 내부 덴드라이트의 개시 지점으로 작용함을 확인했다. 이번 연구는 덴드라이트의 표면 개시와 내부 개시 메커니즘을 하나의 틀로 통합하고, 이축 압축응력이 두 메커니즘 모두에서 단락을 방지할 수 있음을 제시했다는 점에서 학술적 의의가 크다. 특히 이번 연구에는 본 연구실의 김승현 박사과정생도 참여해 공동저자로 이름을 올렸다.
현재 이준형 교수는 스탠퍼드대학교 연구진과 함께 차세대 에너지저장장치인 나트륨이온전지 분야에 대한 공동연구도 진행하고 있다. 이번 성과는 국제공동연구를 기반으로 한 세계적 수준의 연구역량을 보여주는 사례로, 향후 우수한 연구성과 창출과 글로벌 연구협력 확대에 대한 기대를 높이고 있다.
*Web Link
- Nature: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10734-x
- Nature Energy: https://doi.org/10.1038/s41560-026-01988-w
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