한기대 김석준 교수, PdTe2 물질 활용 무음극 이차전지 개발

한국기술교육대학교(이하 한기대)는 최근 에너지신소재화학공학부 김석준(사진) 교수 연구팀이 물리적 기상 증착법(PVD)인 스퍼터링(sputtering) 공정으로 이차원 소재인 금속성 PdTe2 물질을 음극 집전체에 코팅해 무음극 이차전지를 개발했다고 13일 밝혔다.

스퍼터링(sputtering)이란 진공에서 플라스마를 발생시켜 이온화한 아르곤 등의 가스를 가속한 뒤 타깃에 충돌시켜 목적의 원자를 분출, 그 근방에 있는 기판에 막을 만드는 방법이다.


현재 상용화된 이차전지는 분리막을 사이에 두고 양극과 음극으로 이뤄졌다. 해당 연구에서 적용한 무음극 이차전지는 음극 물질이 없는 구조로 무게가 가볍고 부피가 작아서 기존 이차전지 대비 에너지 밀도가 높은 장점이 있다.

김석준 교수 연구팀은 이차원 소재인 PdTe2 물질이 현재 양극으로 사용되는 Li[NixMnyCoz]O2, 음극으로 사용되는 흑연(graphite)과 원자구조가 유사한 층상구조를 지니고 리튬 이온과 삽입, 합금, 전환 반응이 용이하다는 점에 주목했다. 충전 시 15nm의 PdTe2가 코팅된 집전체 위에 균일한 리튬 금속의 성장을 유도해 무음극 이차전지의 성능을 향상시켰다.

최근 MoS2, MoSe2 등 반도체성 이차원 소재가 반도체, 디스플레이 등 다양한 디바이스의 응용 재료로써 활발하게 연구되고 있지만 금속성 이차원 물질이 무음극 이차전지에 응용된 연구는 이번이 처음이다.


김 교수는 "이번 연구는 보다 가볍고 부피가 작은 이차전지의 성능을 향상시킨 결과"라며 "연구에서 사용된 스퍼터링 공법이 현 반도체 제조 공정의 핵심 공정 중 하나이기 때문에 무음극 이차전지의 대량생산 및 상용화에 큰 도움이 될 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단과 미국 공군과학연구단(AFOSR, Air Force Office of Scientific Research)의 지원을 받아 진행됐다. 연구결과는 '높은 수명의 무음극 이차전지용 PdTe2 이차원 물질이 코팅된 집전체(2D PdTe2 Thin-Film-Coated Current Collectors for Long-Cycling Anode-Free Rechargeable Batteries)'라는 제목으로 미국 화학회(ACS)가 발행하는 'ACS 응용물질 및 계면(ACS Applied Materials ＆ Interfaces)' 4월 호의 표지논문(Cover Page Article)으로 게재됐다.