고접착·고전도성 고분자 기반 계면 안정화 기술 도입
스마트폰과 전기자동차 등에 탑재되는 리튬이온 배터리는 양극과 음극이라는 저장소 사이를 이온이 이동하며 에너지를 저장하고 방출한다. 따라서 전지를 더 가볍고 얇게 제작하기 위해서는 이 저장 공간 자체를 효율화하는 혁신적인 전략이 필요하다.
“더 얇고 가벼운 배터리를 제작하기 위해서는 리튬 이온을 저장하는 공간 배치를 효율화하거나 적재 소재를 바꾸는 전략이 유용할 수 있습니다. 그래서 기존 연구 역시 소재를 가볍게 만들어 고용량 NCM 양극재와 실리콘계 음극재를 개발하는 방향으로 이어졌죠. 하지만 가장 파격적인 전략은 저장소 자체를 가용 리튬으로 치환하는 방법이라고 생각합니다. 저장소가 거의 없어지면 기존보다 훨씬 가볍고 얇은 전지를 제작할 수 있게 되는 것이죠. 이 점이 바로 리튬금속전지가 배터리 산업의 게임체인저로 불리는 이유입니다.”
이처럼 얇고 넓은 리튬금속 전극이 필수적임에도, 기존의 압출·압연 제조 방식으로는 한계가 명확했다. 리튬이 상온에서 매우 무른 금속이어서 강한 압력을 가하면 펴지지 않고 주름이 잡히거나 찢어지기 때문이었다. 알루미늄 포일처럼 균일하고 얇은 금속 박막을 얻기 어렵다는 난제를 극복하기 위해 도입한 대안이 바로 리튬금속분말(LMP)이다.
리튬금속분말 음극은 구리 박막 집전체 위에 활물질인 리튬금속분말과 도전재, 바인더를 섞은 슬러리를 코팅해 제작한다. 기존 연구들이 주로 에너지가 교환되는 음극 표면 개선에 집중했던 것과 달리, 연구팀은 구리 집전체와 리튬금속분말이 접촉하는 내부 계면에 주목했다. 전위가 가장 낮은 리튬과 전위가 높은 구리가 직접 맞닿으면 갈바닉 부식(Galvanic corrosion)이 일어난다. 금속 박막과 달리 다공성 구조를 지닌 분말 음극은 내부 기공으로 스며든 전해질 탓에 리튬 용출과 부식이 가속화되는 치명적인 결함을 지니고 있었다.
“기존 리튬금속 박막은 리튬이 구리 집전체를 완전히 덮고 있어 전해질로 리튬이 용출되지 못했고 부식도 발생할 수 없었습니다. 반면 리튬금속분말 음극은 수많은 기공을 포함하는 다공성 구조여서 전해질이 스며들어 리튬 이온이 용출되는 현상이 나타납니다. 이에 우리 연구팀은 분말 음극의 성능 하락 원인이 갈바닉 부식에 의한 리튬 소모 때문임을 밝혀내고, 구리와 리튬금속분말 사이에 전자 전도도와 접착력이 뛰어난 전도성고분자(PEDOT:P(SS-co-AA))를 계면에 도입해 문제를 해결하고자 했습니다.”
대면적 리튬금속분말 이차전지 음극 세계 최초 구현
구리 집전체 위에 약 100나노미터(nm) 두께로 형상화한 고분자 계면 중간층은 분말 코팅층과의 접착력을 끌어올려 리튬 분말을 집전체 표면에 안정적으로 고정한다. 충·방전 과정에서 전극 구조가 변형되더라도 계면 탈리 현상을 차단해 구조적 안정성을 가져오는 원리다. 전하 이동 경로를 지속적으로 확보함으로써 계면 저항이 늘어나는 문제도 방지할 수 있다. 여기에 집전체와 전해액이 직접 맞닿는 면적이 줄어들어 리튬금속분말의 갈바닉 부식이 억제되는 효과까지 함께 확인되었다.
이러한 계면 안정화는 우수한 전기화학적 성능 수치로 입증된다. 계면 중간층을 적용한 전극은 리튬 탈리 과전압이 약 60% 감소했으며, 고속 방전 조건에서도 충·방전 150회를 거치는 동안 초기 용량의 90% 이상을 유지하는 내구성을 보였다. 기존 슬러리 기반 음극의 고질적 난제였던 집전체 계면 탈리와 전기화학적 비활성화 현상을 성공적으로 완화했음을 나타내는 결과다.
“이번 기술은 기존 슬러리 기반 전극 제조 공정과 우수한 호환성을 지닌다는 점에서 의미가 깊습니다. 리튬금속분말 슬러리 코팅 공정과 고분자 계면 중간층 코팅 공정 모두 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 구현이 가능합니다. 실제로 두께 20마이크로미터(μm), 폭 300밀리미터(mm) 규모의 리튬금속 분말 전극을 구현해 내며 대면적 양산 가능성을 실증했습니다.”
해당 연구는 성과의 우수성을 인정받아 에너지 소재 분야 권위 학술지 ‘어드밴스드 에너지 매터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 표지 논문으로 2025년 10월 14일 게재되었다. 이후 연구팀은 제조상 이점을 바탕으로 안정성을 높이고 공정 기술을 고도화할 후속 과제를 추진 중이다.
“박막화와 대면적화가 유리하다는 점 외에도, 리튬금속분말 음극은 슬러리 코팅으로 제조되어 슬러리 혼합물 내에 기능성 첨가제를 투입하는 것만으로도 안정성을 높여 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이에 맞춰 적절한 첨가제 종류와 투입량을 규명하는 기초 연구는 물론, 장시간 구동에도 성능이 유지되는 지속형 첨가제 기술을 확보하고자 후속 연구를 계획하는 단계입니다. 아울러 기존 음극 제조 기술을 그대로 적용할 수 있는 만큼, 기존 건조·압연 공정을 리튬금속분말 음극에 맞춰 최적화하는 연구도 함께 진행해 나갈 방침입니다.”
고강도 분리막 설계 통해 실리콘 음극재 열화(劣化) 개선
차세대 음극 소재로 각광받는 실리콘은 상용 흑연 대비 10배 이상 높은 이론 용량을 자랑한다. 높은 에너지 밀도는 전기차 주행거리를 획기적으로 늘리는 한편, 급속 충전 설계 구현에도 유용하게 작동한다. 원소 자체의 경제성과 친환경성 또한 주요 장점으로 꼽힌다. 반면 충·방전이 거듭될 때 일어나는 급격한 부피 변형은 상용화를 가로막는 치명적 약점으로 작동해 왔다. 반복되는 팽창과 수축 과정에서 전극 구조가 부서지고, 이로 인해 셀 전체의 수명과 용량이 빠르게 저하되는 탓이다.
기존 연구가 실리콘 소재 자체를 개량하는 방식에 집중했던 것과 달리, 연구팀은 분리막과의 조합을 모색하며 배터리 시스템 전체 관점에서 해결책을 구상했다.
이차전지의 핵심 4대 요소 중 하나인 분리막은 전기화학 반응에 직접 참여하지는 않으나, 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단해 내부 단락(쇼트)과 발열 사고를 막는 안전판 역할을 담당한다. 동시에 리튬 이온이 자유롭게 통과할 수 있도록 다공성 미세구조를 안정적으로 유지해야 하는 까다로운 조건을 충족해야 한다.
“전지는 정지된 물체가 아니라 구동 내내 끊임없이 변화하는 동적 시스템입니다. 사람이 태어나 성장하고 나이를 먹듯, 전지 역시 작동 과정에서 내부 구조가 변하며 성능 저하를 겪게 됩니다. 연구팀은 실제 분리막 미세구조를 가상 공간에 동일하게 재현하는 디지털 트윈 기술을 연구·개발했습니다. 이를 기반으로 이온의 흐름은 원활히 유지하면서도 기계적 강도를 끌어올리는 분리막 구조 최적화에 집중했습니다.”
실리콘 음극재는 충·방전 거동 시 최고 400볼륨퍼센트(vol%)에 달하는 극심한 부피 변화를 일으킨다. 이 과정에서 발생하는 강력한 물리적 압력은 인접한 분리막에 직접적인 기계적 스트레스를 가하게 된다. 결과적으로 분리막 내부의 미세 구멍들이 눌리거나 망가지면서 이온의 이동 통로가 막히게 되고, 전지 전체의 이온 흐름이 교란을 일으켜 급격한 용량 감소로 이어진다.
“실리콘이 가진 거대한 부피 변화는 분리막의 다공성 구조를 파괴하고 이온 전달을 방해하는 주된 원인으로 작용합니다. 이러한 열화 현상을 근본적으로 차단하기 위해 연세대학교 이상영 교수님 연구팀과의 공동연구를 통해, 실리콘의 팽창 압력에도 견딜 수 있는 뛰어난 기계적 특성의 무기물 기반 분리막을 개발했습니다.”
새로 개발한 무기물 기반 고강도 분리막을 적용한 배터리 셀은 고속 충·방전 평가에서 탁월한 내구성을 증명했다. 400회의 고속 충·방전 사이클을 거친 후에도 초기 용량의 88% 이상을 유지하는 결과가 확인되었다. 특정 소재 단품의 개량이라는 틀에서 벗어나 전지 시스템 전체를 고려한 복합적 접근법으로 실리콘 음극재의 수명 문제를 풀어냈다는 점이 핵심으로 꼽힌다. 연세대학교 및 LG에너지솔루션과의 협업으로 이루어진 해당 연구 성과는 2024년 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 게재되어 차세대 이차전지 설계에 새로운 연구 방향을 제시했다.
가상과 실증을 잇는 통합 연구 생태계 ‘디지털트윈배터리연구실’
디지털트윈배터리연구실은 차세대 리튬이차전지 소재 개발과 멀티 스케일 모델링·시뮬레이션 기술을 결합해 에너지저장장치의 에너지밀도 및 안전성을 대폭 끌어올리는 데 집중한다. 나아가 지속가능한 미래 에너지 기술 확보라는 명확한 목표를 바탕으로 연구를 이어가는 중이다. 연구실의 핵심 축은 소재(전극, 분리막, 리튬금속/전해질) 기반의 실증 연구를 담당하는 ‘Actual team’과 모델링 및 시뮬레이션을 수행하는 ‘Virtual team’으로 이뤄진다. 두 팀은 소재 영역에서 출발해 전지 시스템, 컴퓨터 모델링에 이르기까지 전 단계를 아우르며 포괄적인 연구 생태계를 구축했다.
세부 과제에서도 두 조직의 전문성은 명확히 도드라진다. Actual team은 ▲기계적 안정성과 율속, 수명 성능을 보장하는 전극 구조 설계 ▲열적 안전성 및 젖음성 개선을 위한 분리막 표면 개질 ▲에너지 밀도 극대화를 겨냥한 리튬금속 계면 안정화 및 전해질 연구를 맡는다. Virtual team은 전기화학-열-기계적 복합 모델링을 통해 입자부터 전극, 전지, 모듈로 이어지는 멀티스케일 시뮬레이션을 펼친다. 전지 내부 미세구조 변화와 메커니즘을 정밀히 밝혀내어 결함 분석과 수명 예측 정확도를 고도화하는 방식이다.
“우리 연구실의 가장 차별화된 경쟁력은 Actual team과 Virtual team 사이에 구축된 유기적 피드백 체계에 있습니다. 나란히 독립해서 움직이기보다, 서로 실시간 상호작용을 이어가는 구조라고 할 수 있죠. Actual team이 도출한 전기화학 데이터를 Virtual team이 물리 기반 모델이나 데이터 해석으로 정량화하고, 이 수치를 다시 실증 실험 설계에 곧바로 반영합니다. 외형적 성능 개선을 도모하기에 앞서 현상의 원인을 규명하는 중심 연구가 가능해진 배경입니다. 학생들 역시 초기 단계부터 데이터와 모델링의 물리적 의미를 함께 토론하며 통합적 사고 역량을 자연스럽게 갖추게 됩니다. 이러한 시스템은 다중 스케일 현상이 복합 작용하는 이차전지 분야에서 실험적 검증과 이론적 설명을 동시에 확보하도록 돕습니다.”
실증적 관찰과 가상 해석의 상호작용은 고품질 연구 성과를 지속해서 창출하는 동력으로 작동한다. 정밀한 실험 데이터가 시뮬레이션의 신뢰도를 끌어올리고, 정량 해석이 다시 실증 단계의 완성도를 다지는 구도다. 이처럼 디지털트윈배터리연구실은 이론과 실무를 균형 있게 아우르며 차세대 이차전지 기술의 한계를 넓혀가고 있다.
본질을 꿰뚫는 질문과 정량적 사고로 답을 찾다
이 교수는 실험 데이터나 단편적인 수치를 나열하는 행위보다 그 결과 이면에 숨은 원인을 논리적으로 규명하는 작업에 연구의 본질이 있다고 본다. 관찰된 현상을 체계적으로 검증할 수 있도록 실험을 직접 설계하고, 원인과 결과 사이의 연결 고리를 정밀히 증명해 나가는 과정에서 연구의 재현성과 설득력이 비로소 형성된다는 지론이다. 나아가 학생들이 눈앞의 단기적 성과에 흔들리지 않도록 학위 기간 전체를 관통하는 ‘빅 퀘스천(Big Question)’을 명확히 설정하도록 독려한다. 점점 복잡해지는 이차전지 분야를 개척하려면 현상을 직관적으로 판단하는 수준에 그치지 않고, 모델링과 시뮬레이션을 결합해 자기 데이터를 정량적으로 설명하는 깊이 있는 사고가 필수적이라는 판단에서다.
“학생들에게 실험 결과 자체보다 데이터가 도출된 근거를 스스로 세우는 과정이 핵심이라고 늘 강조합니다. 특정 전극에서 성능 변화가 나타났다면 원인을 검증할 수 있는 실험이나 해석을 직접 설계해 보아야 하죠. 이처럼 정량적인 설명이 뒤따르는 연구 습관이 쌓일 때 논리력과 재현성이 비로소 보장됩니다. 또 한 가지, 연구의 방향성을 잃지 않으려면 궁극적으로 해결하고 싶은 Big Question을 가슴에 품는 태도 역시 중요합니다. 스스로 설정한 커다란 질문을 이정표 삼아 장기적 안목으로 연구에 임하길 바랍니다.”
시행착오를 대하는 태도와 유연한 시야 역시 이 교수가 강조하는 연구자의 핵심 자산이다. 예상과 다른 결과나 실패를 현상의 본질에 다가서는 기회로 받아들이고, 원인을 끝까지 파고들 때 독보적인 경쟁력이 형성된다는 생각이다. 아울러 다변화하는 기술 환경에 발맞춰 한 가지 방법론에 안주하지 않는 유연한 시야를 요구한다. 실증 연구자는 컴퓨터 모델링에 대한 이해를 넓히고, 해석 전문가는 실제 전지 시스템의 감각을 익혀야 다각적인 해결책을 도출할 수 있기 때문이다.
“좋은 연구는 남들이 던지지 않은 질문을 스스로 던지고, 이에 대한 답을 찾아가는 여정에서 시작됩니다. 실패와 시행착오는 연구 과정에서 피할 수 없는 요소인 만큼, 하나하나의 수치에 일희일비하기보다 현상의 원인을 끝까지 추적하는 자세가 무엇보다 필요하죠. 그 과정에서 축적된 지식과 해석 역량이 결국 대체 불가능한 연구자의 진짜 무기로 작용합니다. 여기에 한 가지 틀에 갇히지 않고 실증과 모델링을 연결하는 유연한 시야, 그리고 동료들과의 진솔한 협업이 더해질 때 비로소 가치 있는 결실을 맺을 수 있습니다.”
초격차 기술 선도 위한 디지털 트윈 고도화에 주력
산업계와의 협력을 통해 실용적 기술을 개발해 온 흐름을 바탕으로, 연구팀이 축적한 성과를 독자적 사업화로 연결하는 구상이 구체화되고 있다. FIB-SEM과 nano-CT 등 단층 이미징을 활용한 전극 내부 3차원 구조체 정량화 기술과 조건별 데이터베이스는 전극 설계 최적화, 공정 변화 예측, 수명 진단 등 활용 가치가 매우 크다. 다만 당장 창업에 시선을 두기보다 기술을 플랫폼화하고 재현성과 확장성을 다지는 일에 우선순위를 둔다. 기술 성숙도와 산업 현장의 요구가 맞물리는 시점에 기술 이전이나 창업 등의 형태로 자연스럽게 확장해 나간다는 방침이다.
“단기적인 창업을 목표로 삼기보다는 연구실 내에서 관련 기술을 플랫폼으로 다듬고 재현성과 확장성을 확보하는 단계가 우선입니다. 축적된 데이터와 기술이 실제 산업 현장의 문제를 해결하는 실질적인 도구로 구현될 때, 연구와 산업의 경계를 연결하는 진정한 결실을 맺을 수 있다고 믿습니다.”
향후 계획하는 최종 목표는 멀티스케일 관점에서 이차전지의 성능과 안전성을 빠르고 정밀하게 예측하는 디지털 트윈 기술의 확보에 있다. 소재, 구조, 환경 등 수많은 변수가 작용하는 전지 반응의 원인을 해석하고자, 연구의 스펙트럼을 단일입자 단위부터 대용량 셀, 모듈 및 팩까지 체계적으로 넓혀 나가는 흐름이다. 특히 마이크로 전극으로 입자 하나의 고유 성능을 측정하고 이를 모델 변수(파라미터)로 직접 반영함으로써, 별도의 보정 과정 없이도 예측 정확도를 획기적으로 향상하는 기틀을 마련했다.
다만 정밀한 시뮬레이션일수록 막대한 계산 시간과 자원이 소요되기에, 이를 극복할 해법으로 물리 법칙과 AI를 결합한 예측 기술에 주목한다. 따라서 이 교수는 학습 데이터의 한계를 보완하고 데이터 표준을 정립하는 고신뢰성 AI 모델 개발에 주력하는 한편, 국가 범용 이차전지 AI 모델 개발 기획 위원장으로서 관련 연구 체계 조성에 힘을 보태고 있다.
“단일입자 측정값을 파라미터로 적용해 보정 없는 정밀 모델링을 구현했듯, 미세구조부터 팩 단위까지 잇는 멀티스케일 해석 체계를 완성하고자 합니다. 여기에 계산 한계를 극복하는 물리 법칙 결합형 AI 기술을 더해, 세계 최고 수준의 디지털 트윈을 확보하고 국가 산업 경쟁력을 끌어올리는 데 기여하고 싶습니다.”
가상 공간에서 정량화한 미시 세계의 데이터는 실제 산업 현장의 불빛을 밝히는 가장 정교한 나침반이다. 입자 하나의 미세한 숨결을 읽어내 국가 기술 거버넌스라는 거대한 지형도를 그려 나가는 여정. 현실과 가상의 경계를 지우며 축적한 디지털 트윈은, 대한민국 이차전지 산업을 한 차원 높이 올려놓는 단단한 디딤돌이 되고 있다.
취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)
리튬금속은 높은 이론 용량과 낮은 환원 전위 덕분에 차세대 이차전지의 핵심 음극 소재로 꼽힌다. 하지만 기존 박막 필름 형태는 공정 특성상 초박막화와 대면적화를 동시에 달성하기 어렵다. 대안으로 제시된 리튬금속분말 슬러리 코팅 기법 역시 충·방전 중 집전체 계면 탈리가 발생하며 전지 수명이 단축되는 한계를 노출했다.연세대학교 이용민 교수 연구팀은 고접착성·고전자전도성 계면 중간층 기술로 이 난제를 세계 최초로 극복해 냈다. 접착성과 전도성을 동시에 갖춘 복합 고분자를 독자 합성해 프라이머 코팅 소재로 도입함으로써 구조적 안정성과 전기적 연결성을 동시에 확보한 것이다. 이번 연구는 리튬금속 음극의 고질적인 계면 불안정성을 근본적으로 해소하고, 차세대 고에너지 밀도 이차전지 상용화의 물꼬를 텄다는 점에서 의의가 크다.
고접착·고전도성 고분자 기반 계면 안정화 기술 도입스마트폰과 전기자동차 등에 탑재되는 리튬이온 배터리는 양극과 음극이라는 저장소 사이를 이온이 이동하며 에너지를 저장하고 방출한다. 따라서 전지를 더 가볍고 얇게 제작하기 위해서는 이 저장 공간 자체를 효율화하는 혁신적인 전략이 필요하다.“더 얇고 가벼운 배터리를 제작하기 위해서는 리튬 이온을 저장하는 공간 배치를 효율화하거나 적재 소재를 바꾸는 전략이 유용할 수 있습니다. 그래서 기존 연구 역시 소재를 가볍게 만들어 고용량 NCM 양극재와 실리콘계 음극재를 개발하는 방향으로 이어졌죠. 하지만 가장 파격적인 전략은 저장소 자체를 가용 리튬으로 치환하는 방법이라고 생각합니다. 저장소가 거의 없어지면 기존보다 훨씬 가볍고 얇은 전지를 제작할 수 있게 되는 것이죠. 이 점이 바로 리튬금속전지가 배터리 산업의 게임체인저로 불리는 이유입니다.”이처럼 얇고 넓은 리튬금속 전극이 필수적임에도, 기존의 압출·압연 제조 방식으로는 한계가 명확했다. 리튬이 상온에서 매우 무른 금속이어서 강한 압력을 가하면 펴지지 않고 주름이 잡히거나 찢어지기 때문이었다. 알루미늄 포일처럼 균일하고 얇은 금속 박막을 얻기 어렵다는 난제를 극복하기 위해 도입한 대안이 바로 리튬금속분말(LMP)이다.리튬금속분말 음극은 구리 박막 집전체 위에 활물질인 리튬금속분말과 도전재, 바인더를 섞은 슬러리를 코팅해 제작한다. 기존 연구들이 주로 에너지가 교환되는 음극 표면 개선에 집중했던 것과 달리, 연구팀은 구리 집전체와 리튬금속분말이 접촉하는 내부 계면에 주목했다. 전위가 가장 낮은 리튬과 전위가 높은 구리가 직접 맞닿으면 갈바닉 부식(Galvanic corrosion)이 일어난다. 금속 박막과 달리 다공성 구조를 지닌 분말 음극은 내부 기공으로 스며든 전해질 탓에 리튬 용출과 부식이 가속화되는 치명적인 결함을 지니고 있었다.“기존 리튬금속 박막은 리튬이 구리 집전체를 완전히 덮고 있어 전해질로 리튬이 용출되지 못했고 부식도 발생할 수 없었습니다. 반면 리튬금속분말 음극은 수많은 기공을 포함하는 다공성 구조여서 전해질이 스며들어 리튬 이온이 용출되는 현상이 나타납니다. 이에 우리 연구팀은 분말 음극의 성능 하락 원인이 갈바닉 부식에 의한 리튬 소모 때문임을 밝혀내고, 구리와 리튬금속분말 사이에 전자 전도도와 접착력이 뛰어난 전도성고분자(PEDOT:P(SS-co-AA))를 계면에 도입해 문제를 해결하고자 했습니다.”
대면적 리튬금속분말 이차전지 음극 세계 최초 구현구리 집전체 위에 약 100나노미터(nm) 두께로 형상화한 고분자 계면 중간층은 분말 코팅층과의 접착력을 끌어올려 리튬 분말을 집전체 표면에 안정적으로 고정한다. 충·방전 과정에서 전극 구조가 변형되더라도 계면 탈리 현상을 차단해 구조적 안정성을 가져오는 원리다. 전하 이동 경로를 지속적으로 확보함으로써 계면 저항이 늘어나는 문제도 방지할 수 있다. 여기에 집전체와 전해액이 직접 맞닿는 면적이 줄어들어 리튬금속분말의 갈바닉 부식이 억제되는 효과까지 함께 확인되었다.이러한 계면 안정화는 우수한 전기화학적 성능 수치로 입증된다. 계면 중간층을 적용한 전극은 리튬 탈리 과전압이 약 60% 감소했으며, 고속 방전 조건에서도 충·방전 150회를 거치는 동안 초기 용량의 90% 이상을 유지하는 내구성을 보였다. 기존 슬러리 기반 음극의 고질적 난제였던 집전체 계면 탈리와 전기화학적 비활성화 현상을 성공적으로 완화했음을 나타내는 결과다.“이번 기술은 기존 슬러리 기반 전극 제조 공정과 우수한 호환성을 지닌다는 점에서 의미가 깊습니다. 리튬금속분말 슬러리 코팅 공정과 고분자 계면 중간층 코팅 공정 모두 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 구현이 가능합니다. 실제로 두께 20마이크로미터(μm), 폭 300밀리미터(mm) 규모의 리튬금속 분말 전극을 구현해 내며 대면적 양산 가능성을 실증했습니다.”해당 연구는 성과의 우수성을 인정받아 에너지 소재 분야 권위 학술지 ‘어드밴스드 에너지 매터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 표지 논문으로 2025년 10월 14일 게재되었다. 이후 연구팀은 제조상 이점을 바탕으로 안정성을 높이고 공정 기술을 고도화할 후속 과제를 추진 중이다.“박막화와 대면적화가 유리하다는 점 외에도, 리튬금속분말 음극은 슬러리 코팅으로 제조되어 슬러리 혼합물 내에 기능성 첨가제를 투입하는 것만으로도 안정성을 높여 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이에 맞춰 적절한 첨가제 종류와 투입량을 규명하는 기초 연구는 물론, 장시간 구동에도 성능이 유지되는 지속형 첨가제 기술을 확보하고자 후속 연구를 계획하는 단계입니다. 아울러 기존 음극 제조 기술을 그대로 적용할 수 있는 만큼, 기존 건조·압연 공정을 리튬금속분말 음극에 맞춰 최적화하는 연구도 함께 진행해 나갈 방침입니다.”
고강도 분리막 설계 통해 실리콘 음극재 열화(劣化) 개선차세대 음극 소재로 각광받는 실리콘은 상용 흑연 대비 10배 이상 높은 이론 용량을 자랑한다. 높은 에너지 밀도는 전기차 주행거리를 획기적으로 늘리는 한편, 급속 충전 설계 구현에도 유용하게 작동한다. 원소 자체의 경제성과 친환경성 또한 주요 장점으로 꼽힌다. 반면 충·방전이 거듭될 때 일어나는 급격한 부피 변형은 상용화를 가로막는 치명적 약점으로 작동해 왔다. 반복되는 팽창과 수축 과정에서 전극 구조가 부서지고, 이로 인해 셀 전체의 수명과 용량이 빠르게 저하되는 탓이다.기존 연구가 실리콘 소재 자체를 개량하는 방식에 집중했던 것과 달리, 연구팀은 분리막과의 조합을 모색하며 배터리 시스템 전체 관점에서 해결책을 구상했다.이차전지의 핵심 4대 요소 중 하나인 분리막은 전기화학 반응에 직접 참여하지는 않으나, 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단해 내부 단락(쇼트)과 발열 사고를 막는 안전판 역할을 담당한다. 동시에 리튬 이온이 자유롭게 통과할 수 있도록 다공성 미세구조를 안정적으로 유지해야 하는 까다로운 조건을 충족해야 한다.“전지는 정지된 물체가 아니라 구동 내내 끊임없이 변화하는 동적 시스템입니다. 사람이 태어나 성장하고 나이를 먹듯, 전지 역시 작동 과정에서 내부 구조가 변하며 성능 저하를 겪게 됩니다. 연구팀은 실제 분리막 미세구조를 가상 공간에 동일하게 재현하는 디지털 트윈 기술을 연구·개발했습니다. 이를 기반으로 이온의 흐름은 원활히 유지하면서도 기계적 강도를 끌어올리는 분리막 구조 최적화에 집중했습니다.”실리콘 음극재는 충·방전 거동 시 최고 400볼륨퍼센트(vol%)에 달하는 극심한 부피 변화를 일으킨다. 이 과정에서 발생하는 강력한 물리적 압력은 인접한 분리막에 직접적인 기계적 스트레스를 가하게 된다. 결과적으로 분리막 내부의 미세 구멍들이 눌리거나 망가지면서 이온의 이동 통로가 막히게 되고, 전지 전체의 이온 흐름이 교란을 일으켜 급격한 용량 감소로 이어진다.“실리콘이 가진 거대한 부피 변화는 분리막의 다공성 구조를 파괴하고 이온 전달을 방해하는 주된 원인으로 작용합니다. 이러한 열화 현상을 근본적으로 차단하기 위해 연세대학교 이상영 교수님 연구팀과의 공동연구를 통해, 실리콘의 팽창 압력에도 견딜 수 있는 뛰어난 기계적 특성의 무기물 기반 분리막을 개발했습니다.”새로 개발한 무기물 기반 고강도 분리막을 적용한 배터리 셀은 고속 충·방전 평가에서 탁월한 내구성을 증명했다. 400회의 고속 충·방전 사이클을 거친 후에도 초기 용량의 88% 이상을 유지하는 결과가 확인되었다. 특정 소재 단품의 개량이라는 틀에서 벗어나 전지 시스템 전체를 고려한 복합적 접근법으로 실리콘 음극재의 수명 문제를 풀어냈다는 점이 핵심으로 꼽힌다. 연세대학교 및 LG에너지솔루션과의 협업으로 이루어진 해당 연구 성과는 2024년 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 게재되어 차세대 이차전지 설계에 새로운 연구 방향을 제시했다.
가상과 실증을 잇는 통합 연구 생태계 ‘디지털트윈배터리연구실’디지털트윈배터리연구실은 차세대 리튬이차전지 소재 개발과 멀티 스케일 모델링·시뮬레이션 기술을 결합해 에너지저장장치의 에너지밀도 및 안전성을 대폭 끌어올리는 데 집중한다. 나아가 지속가능한 미래 에너지 기술 확보라는 명확한 목표를 바탕으로 연구를 이어가는 중이다. 연구실의 핵심 축은 소재(전극, 분리막, 리튬금속/전해질) 기반의 실증 연구를 담당하는 ‘Actual team’과 모델링 및 시뮬레이션을 수행하는 ‘Virtual team’으로 이뤄진다. 두 팀은 소재 영역에서 출발해 전지 시스템, 컴퓨터 모델링에 이르기까지 전 단계를 아우르며 포괄적인 연구 생태계를 구축했다.세부 과제에서도 두 조직의 전문성은 명확히 도드라진다. Actual team은 ▲기계적 안정성과 율속, 수명 성능을 보장하는 전극 구조 설계 ▲열적 안전성 및 젖음성 개선을 위한 분리막 표면 개질 ▲에너지 밀도 극대화를 겨냥한 리튬금속 계면 안정화 및 전해질 연구를 맡는다. Virtual team은 전기화학-열-기계적 복합 모델링을 통해 입자부터 전극, 전지, 모듈로 이어지는 멀티스케일 시뮬레이션을 펼친다. 전지 내부 미세구조 변화와 메커니즘을 정밀히 밝혀내어 결함 분석과 수명 예측 정확도를 고도화하는 방식이다.
“우리 연구실의 가장 차별화된 경쟁력은 Actual team과 Virtual team 사이에 구축된 유기적 피드백 체계에 있습니다. 나란히 독립해서 움직이기보다, 서로 실시간 상호작용을 이어가는 구조라고 할 수 있죠. Actual team이 도출한 전기화학 데이터를 Virtual team이 물리 기반 모델이나 데이터 해석으로 정량화하고, 이 수치를 다시 실증 실험 설계에 곧바로 반영합니다. 외형적 성능 개선을 도모하기에 앞서 현상의 원인을 규명하는 중심 연구가 가능해진 배경입니다. 학생들 역시 초기 단계부터 데이터와 모델링의 물리적 의미를 함께 토론하며 통합적 사고 역량을 자연스럽게 갖추게 됩니다. 이러한 시스템은 다중 스케일 현상이 복합 작용하는 이차전지 분야에서 실험적 검증과 이론적 설명을 동시에 확보하도록 돕습니다.”실증적 관찰과 가상 해석의 상호작용은 고품질 연구 성과를 지속해서 창출하는 동력으로 작동한다. 정밀한 실험 데이터가 시뮬레이션의 신뢰도를 끌어올리고, 정량 해석이 다시 실증 단계의 완성도를 다지는 구도다. 이처럼 디지털트윈배터리연구실은 이론과 실무를 균형 있게 아우르며 차세대 이차전지 기술의 한계를 넓혀가고 있다.
본질을 꿰뚫는 질문과 정량적 사고로 답을 찾다이 교수는 실험 데이터나 단편적인 수치를 나열하는 행위보다 그 결과 이면에 숨은 원인을 논리적으로 규명하는 작업에 연구의 본질이 있다고 본다. 관찰된 현상을 체계적으로 검증할 수 있도록 실험을 직접 설계하고, 원인과 결과 사이의 연결 고리를 정밀히 증명해 나가는 과정에서 연구의 재현성과 설득력이 비로소 형성된다는 지론이다. 나아가 학생들이 눈앞의 단기적 성과에 흔들리지 않도록 학위 기간 전체를 관통하는 ‘빅 퀘스천(Big Question)’을 명확히 설정하도록 독려한다. 점점 복잡해지는 이차전지 분야를 개척하려면 현상을 직관적으로 판단하는 수준에 그치지 않고, 모델링과 시뮬레이션을 결합해 자기 데이터를 정량적으로 설명하는 깊이 있는 사고가 필수적이라는 판단에서다.“학생들에게 실험 결과 자체보다 데이터가 도출된 근거를 스스로 세우는 과정이 핵심이라고 늘 강조합니다. 특정 전극에서 성능 변화가 나타났다면 원인을 검증할 수 있는 실험이나 해석을 직접 설계해 보아야 하죠. 이처럼 정량적인 설명이 뒤따르는 연구 습관이 쌓일 때 논리력과 재현성이 비로소 보장됩니다. 또 한 가지, 연구의 방향성을 잃지 않으려면 궁극적으로 해결하고 싶은 Big Question을 가슴에 품는 태도 역시 중요합니다. 스스로 설정한 커다란 질문을 이정표 삼아 장기적 안목으로 연구에 임하길 바랍니다.”시행착오를 대하는 태도와 유연한 시야 역시 이 교수가 강조하는 연구자의 핵심 자산이다. 예상과 다른 결과나 실패를 현상의 본질에 다가서는 기회로 받아들이고, 원인을 끝까지 파고들 때 독보적인 경쟁력이 형성된다는 생각이다. 아울러 다변화하는 기술 환경에 발맞춰 한 가지 방법론에 안주하지 않는 유연한 시야를 요구한다. 실증 연구자는 컴퓨터 모델링에 대한 이해를 넓히고, 해석 전문가는 실제 전지 시스템의 감각을 익혀야 다각적인 해결책을 도출할 수 있기 때문이다.“좋은 연구는 남들이 던지지 않은 질문을 스스로 던지고, 이에 대한 답을 찾아가는 여정에서 시작됩니다. 실패와 시행착오는 연구 과정에서 피할 수 없는 요소인 만큼, 하나하나의 수치에 일희일비하기보다 현상의 원인을 끝까지 추적하는 자세가 무엇보다 필요하죠. 그 과정에서 축적된 지식과 해석 역량이 결국 대체 불가능한 연구자의 진짜 무기로 작용합니다. 여기에 한 가지 틀에 갇히지 않고 실증과 모델링을 연결하는 유연한 시야, 그리고 동료들과의 진솔한 협업이 더해질 때 비로소 가치 있는 결실을 맺을 수 있습니다.”
초격차 기술 선도 위한 디지털 트윈 고도화에 주력산업계와의 협력을 통해 실용적 기술을 개발해 온 흐름을 바탕으로, 연구팀이 축적한 성과를 독자적 사업화로 연결하는 구상이 구체화되고 있다. FIB-SEM과 nano-CT 등 단층 이미징을 활용한 전극 내부 3차원 구조체 정량화 기술과 조건별 데이터베이스는 전극 설계 최적화, 공정 변화 예측, 수명 진단 등 활용 가치가 매우 크다. 다만 당장 창업에 시선을 두기보다 기술을 플랫폼화하고 재현성과 확장성을 다지는 일에 우선순위를 둔다. 기술 성숙도와 산업 현장의 요구가 맞물리는 시점에 기술 이전이나 창업 등의 형태로 자연스럽게 확장해 나간다는 방침이다.“단기적인 창업을 목표로 삼기보다는 연구실 내에서 관련 기술을 플랫폼으로 다듬고 재현성과 확장성을 확보하는 단계가 우선입니다. 축적된 데이터와 기술이 실제 산업 현장의 문제를 해결하는 실질적인 도구로 구현될 때, 연구와 산업의 경계를 연결하는 진정한 결실을 맺을 수 있다고 믿습니다.”
향후 계획하는 최종 목표는 멀티스케일 관점에서 이차전지의 성능과 안전성을 빠르고 정밀하게 예측하는 디지털 트윈 기술의 확보에 있다. 소재, 구조, 환경 등 수많은 변수가 작용하는 전지 반응의 원인을 해석하고자, 연구의 스펙트럼을 단일입자 단위부터 대용량 셀, 모듈 및 팩까지 체계적으로 넓혀 나가는 흐름이다. 특히 마이크로 전극으로 입자 하나의 고유 성능을 측정하고 이를 모델 변수(파라미터)로 직접 반영함으로써, 별도의 보정 과정 없이도 예측 정확도를 획기적으로 향상하는 기틀을 마련했다.다만 정밀한 시뮬레이션일수록 막대한 계산 시간과 자원이 소요되기에, 이를 극복할 해법으로 물리 법칙과 AI를 결합한 예측 기술에 주목한다. 따라서 이 교수는 학습 데이터의 한계를 보완하고 데이터 표준을 정립하는 고신뢰성 AI 모델 개발에 주력하는 한편, 국가 범용 이차전지 AI 모델 개발 기획 위원장으로서 관련 연구 체계 조성에 힘을 보태고 있다.“단일입자 측정값을 파라미터로 적용해 보정 없는 정밀 모델링을 구현했듯, 미세구조부터 팩 단위까지 잇는 멀티스케일 해석 체계를 완성하고자 합니다. 여기에 계산 한계를 극복하는 물리 법칙 결합형 AI 기술을 더해, 세계 최고 수준의 디지털 트윈을 확보하고 국가 산업 경쟁력을 끌어올리는 데 기여하고 싶습니다.”가상 공간에서 정량화한 미시 세계의 데이터는 실제 산업 현장의 불빛을 밝히는 가장 정교한 나침반이다. 입자 하나의 미세한 숨결을 읽어내 국가 기술 거버넌스라는 거대한 지형도를 그려 나가는 여정. 현실과 가상의 경계를 지우며 축적한 디지털 트윈은, 대한민국 이차전지 산업을 한 차원 높이 올려놓는 단단한 디딤돌이 되고 있다.취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)<이 기사는 사이언스21 매거진 2026년 8월호에 게재 되었습니다.>