한양대학교 에너지화학공학과
화학공학과 김동원
한양대학교 에너지화학공학과 연구실은 차세대 전기화학 에너지 저장 시스템의 핵심 소재 및 공정 기술 개발에 선도적인 역할을 하고 있습니다. 본 연구실은 리튬이차전지, 전고체전지, 리튬 금속 및 무음극 전지, 나트륨이차전지, 리튬-황 전지, 슈퍼커패시터 등 다양한 이차전지 및 에너지 저장 장치의 소재·공정 연구를 폭넓게 수행하고 있습니다.
특히, 황화물계 전고체 리튬이차전지 분야에서는 고이온전도성 고체 전해질, 고분자 바인더, 고용량 복합 양극 및 음극, 계면 안정화 기술 등 다양한 혁신적 소재와 공정 기술을 개발하고 있습니다. 용매 기반 및 무용매 기반 복합 전극 제조, 고강도 섬유 보강 고체 전해질, 이오노머 바인더, 박막 고체 전해질 등 차세대 전지의 대면적화 및 고용량화 연구도 활발히 진행 중입니다.
리튬 금속 및 무음극 전지 분야에서는 리튬 금속 표면 보호막, 금속 합금층, 기능성 첨가제, 젤 고분자 전해질, 고분자 섬유막 등 다양한 계면 안정화 및 보호 기술을 통해 덴드라이트 억제, 계면 저항 감소, 장수명화 등 실질적인 성능 개선을 달성하고 있습니다. 이러한 기술은 고에너지밀도, 고안전성, 장수명 전지 실현에 필수적이며, 관련 특허와 논문, 산학협력 연구를 통해 실용화 가능성을 높이고 있습니다.
이 외에도, 나노구조 전극 소재, 하이브리드 고체/젤 전해질, 기능성 분리막, 첨가제, 고분자 바인더 등 다양한 소재의 합성 및 구조 제어, 대면적·고밀도 전극 제조 공정, 고온·저온 환경에서의 전지 성능 개선 등 폭넓은 연구를 수행하고 있습니다. 본 연구실은 정부·산업체 협력 과제, 국내외 특허, 다수의 국제 학술지 논문 발표, 국제 학회 초청 발표 등 활발한 연구 활동을 통해 국내외 에너지 저장 소재 및 전지 분야를 선도하고 있습니다.
이러한 연구 성과는 차세대 전기자동차, 에너지 저장장치, 모바일 IT 기기 등 다양한 응용 분야에서 요구되는 고성능·고안전성 이차전지의 실현에 기여하고 있으며, 미래 에너지 산업의 혁신을 이끌어가고 있습니다. 앞으로도 본 연구실은 소재-공정-시스템 융합 연구를 통해 에너지 저장 분야의 세계적 경쟁력을 지속적으로 강화해 나갈 것입니다.
Lithium-Ion Batteries
Solid-State Electrolytes
Solid Electrolytes
황화물계 전고체 리튬이차전지
황화물계 전고체 리튬이차전지는 기존의 액체 전해질 기반 리튬이차전지에 비해 안전성과 에너지 밀도 측면에서 큰 장점을 가지고 있습니다. 본 연구실에서는 황화물계 고체 전해질의 높은 이온 전도도와 우수한 가공성을 바탕으로, 고용량·고성능 전고체전지 개발에 집중하고 있습니다. 특히, 황화물계 고체 전해질과 다양한 고분자 바인더, 첨가제의 조합을 통해 전극-전해질 계면 안정성 향상, 전극 내 구성 성분 간의 접촉성 유지, 그리고 장기 수명 특성 개선을 달성하고 있습니다.
연구실에서는 복합 양극 및 음극의 구조 설계, 고분자 바인더의 최적화, 그리고 고체 전해질의 기계적·전기적 특성 향상을 위한 다양한 소재 및 공정 기술을 개발하고 있습니다. 예를 들어, 용매 기반 및 무용매 기반 복합 양극 제조 공정, 이오노머 고분자 바인더의 적용, 고강도 섬유 보강 고체 전해질, 그리고 표면 개질된 리튬 금속 음극 등 다양한 혁신적 접근법을 시도하고 있습니다. 이를 통해 전고체전지의 에너지 밀도, 수명, 안전성 등 핵심 성능을 극대화하고 있습니다.
또한, 전고체전지의 상용화를 위한 대면적화 및 고용량화 연구도 활발히 진행 중입니다. 고활성 물질 함량의 증가, 고밀도 전극 설계, 그리고 박막 고체 전해질의 제조 기술을 통해 대형 전지 셀의 실용화 가능성을 높이고 있습니다. 이러한 연구는 차세대 전기자동차, 에너지 저장장치 등 다양한 응용 분야에서 요구되는 고성능·고안전성 이차전지의 실현을 목표로 하고 있습니다.
리튬 금속 및 무음극 전지용 계면 안정화 기술
리튬 금속은 이론적으로 매우 높은 용량을 제공하는 차세대 음극 소재로 주목받고 있으나, 충·방전 과정에서 덴드라이트 형성, 계면 불안정성, 짧은 수명 등 여러 문제점이 존재합니다. 본 연구실은 리튬 금속 및 무음극(anode-free) 전지의 실용화를 위해 계면 안정화 및 보호막 형성 기술을 중점적으로 연구하고 있습니다. 대표적으로, 리튬 금속 표면에 고분자 보호막, 금속 합금층, 기능성 첨가제 등을 적용하여 덴드라이트 성장을 억제하고, 고체 전해질 계면의 안정성을 확보하는 다양한 방법을 개발하고 있습니다.
특히, 전기화학적 반응을 통해 리튬 금속 표면에 이온 전도성 및 기계적 강도가 우수한 보호막을 형성하거나, 리튬 친화성 금속(Ag, Zn 등)과 고분자 복합 구조체를 도입하여 균일한 리튬 전착을 유도하고 있습니다. 또한, 젤 고분자 전해질, 고분자 섬유막, 첨가제 저장형 보호층 등 다양한 소재 기반의 계면 제어 기술을 통해 리튬 금속의 수명 특성 및 안전성을 크게 향상시키고 있습니다.
이러한 계면 안정화 기술은 무음극 전지, 고에너지밀도 리튬 금속 전지, 전고체전지 등 다양한 차세대 이차전지 시스템에 적용되고 있습니다. 실제로, 본 연구실의 기술은 고전류 밀도에서의 안정적 리튬 전착, 장수명 충·방전 특성, 고온·저온 환경에서의 우수한 성능 등 실질적인 성능 개선으로 이어지고 있으며, 관련 특허와 논문, 산업체 협력 연구를 통해 실용화 가능성을 높이고 있습니다.
고성능 전기화학 에너지 저장 소재 및 공정 개발
본 연구실은 리튬이차전지뿐만 아니라, 나트륨이차전지, 리튬-황 전지, 슈퍼커패시터 등 다양한 전기화학 에너지 저장 시스템의 핵심 소재 및 공정 기술을 폭넓게 연구하고 있습니다. 고용량·고안정성 전극 소재(양극/음극), 고이온전도성 고체/젤 전해질, 기능성 분리막, 첨가제 등 다양한 소재의 합성 및 구조 제어, 그리고 대면적·고밀도 전극 제조 공정까지 포괄적으로 다루고 있습니다.
특히, 나노구조화된 전극 소재(예: 니켈·망간계 NCM, 실리콘 합금, 금속 산화물/황화물, 이종 금속 복합체 등), 고분자 및 무기 하이브리드 전해질, 표면 개질 및 코팅 기술, 고분자 바인더의 기능성 향상 등 다양한 혁신적 소재 개발에 집중하고 있습니다. 또한, 건식 공정, 습식 공정, 열가교, 전기방사 등 다양한 제조 공정의 최적화 및 대면적화 연구를 통해 실제 산업 적용 가능성을 높이고 있습니다.
이러한 연구는 차세대 에너지 저장장치의 고성능화, 장수명화, 고안전성 실현에 기여하고 있으며, 다수의 국내외 특허, 논문, 산학협력 프로젝트, 정부과제 등을 통해 활발히 추진되고 있습니다. 또한, 소재·공정의 융합 연구를 통해 전지의 실질적 성능 개선과 상용화에 필요한 기반 기술을 선도적으로 확보하고 있습니다.
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Multi-scavenging functional separator ensuring the cycling stability of high energy density lithium-ion batteries
김동원
JOURNAL OF POWER SOURCES, 2025
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Lithium nitrate reservoir enabling substantial improvement in the cycle life of anode-free and lithium metal batteries
김동원
JOURNAL OF POWER SOURCES, 2025
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Enhancing the cycling performance of sulfide-based all-solid-state lithium batteries via molecular weight-dependent fibrillation of PTFE binders
김동원
MATERIALS TODAY ENERGY, 2025
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환경규제 대응을 위한 비불소계 화합물 기반 고 에너지밀도 전고체전지 개발
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[민간] 전고체전지용 6mAh/㎠ 이상급 고성능 양극 전극 제조기술 개발
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전고체전지용 6mAh/㎠ 이상급 고성능 양극 전극 제조기술 개발
