기계공학과 김두호 교수 연구팀이 차세대 리튬이온배터리 소재로 주목받는 리튬-망간-철 인산염의 특성을 이론적으로 규명했다.

기계공학과 김두호 교수 연구팀, DFT 기반 해석 통해 소재 반응 정밀 분석
“소재 근본적 이해 통한 발전 이끌 것”

기계공학과 김두호 교수 연구팀이 차세대 리튬이온배터리 소재로 주목받는 리튬-망간-철 인산염(이하 LMFP)의 특성을 범밀도 함수 이론(Density Functional Theory, 이하 DFT)을 기반으로 정밀 분석하고, 작동 메커니즘을 이론적으로 규명했다. 이번 연구는 재료 분야의 국제학술지 『Advanced Energy Materials(IF=24.4)』에 게재됐다.

이론 과학 통해 실험적으로 해석하기 어려운 특성 규명
LMFP는 기존의 리튬-철 인산염 배터리에 비해 높은 작동 전압을 가져 차세대 전극 소재로 주목받고 있다. 하지만 충전 시 전압이 계단 형태로 뚜렷하게 변화하고, 방전 시에는 전압 곡선이 부드럽게 완화되는 비대칭적인 전압 특성에 대한 명확한 원인 규명이 이뤄지지 않았다.

연구 제1저자로 참여한 권도형 학생(기계공학과 박사 3기)은 DFT를 이용한 전자 구조 및 열역학 시뮬레이션을 통해 LMFP 배터리 특성의 근본 원인을 규명했다. 계산 결과 LMFP의 열역학 관점에서 평형전압 개형은 완화된 계단 형태임을 밝혀냈다. 그러나 충전 과정에서 나타나는 계단 형태의 전압은 철 이온에서도 동일하게 나타나는 독특한 절연체 특성 때문이라 추측했다. 이에 따라 LMFP 배터리의 충전 과정은 철 이온의 산화 반응에 따른 느린 전자 이동 때문에 계단식 전압이 나타났으며, 방전 시에는 LMFP가 열역학적으로 평형한 경로인 단상 반응에 따라 전압이 완화됨을 확인했다.

이번 연구는 두 배터리의 기본 반응 특성과 전자 구조를 비교하고, LMFP 고유의 비대칭 전압 특성을 기존 해석과는 다른 열역학적 관점에서 접근했다는 점에서 주목받고 있다. 권도형 학생은 “이론 계산을 통해 실험적으로 규명하기 어려운 특성을 해석했다”며 “소재의 근본적 이해 없이는 소재 발전에 한계가 있을 것”이라고 연구 의의를 강조했다.

김두호 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST)과 협력해 DFT 이론 기반 해석과 실험 결과를 연계한 공동연구를 진행할 예정이다. 이를 통해 LMFP의 특성과 산업적 실용성을 종합적으로 분석하고, 차세대 리튬이온배터리 설계를 위한 기반 기술 확보에 나설 계획이다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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