차세대 고용량 리튬인산철(LFP) 배터리 개발…전기차·에너지저장장치 활용 기대

△ 고에너지 리간드 기반 LFP 양극의 제작 과정 모식도

고용량 전기차 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가설 전망이다. 고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과/KU-KIST융합대학원 조진한 교수, 대구경북과학기술원(DGIST) 고용민 연구원, 한양대학교 에너지바이오학과 김병현 교수 공동 연구팀이 고에너지 리간드를 활용해 리튬인산철(LFP) 배터리의 용량을 대폭 늘리면서도 내구성과 안정성을 동시에 확보하는 전극 기술을 개발했다. 

*고에너지 리간드: 나노입자 표면에 결합해 입자의 분산·구조를 안정화하는 동시에, 스스로 전기를 저장해 배터리 전체 용량을 늘려주는 유기 화합물. 그중 연구팀은 '5,10,15,20-Tetrakis(4-aminophenyl)porphyrin, PP'를 활용했다.

스마트폰부터 전기차까지 우리 일상에 널리 쓰이는 리튬 이온 배터리는 크게 에너지를 방출하는 양극과 에너지를 저장하는 음극으로 구성된다. 이때 양극재(양극 소재)가 무엇이냐에 따라 종류가 나뉘며, 전체적인 용량과 성능이 크게 좌우된다.

그중 리튬인산철(LFP) 배터리는 뛰어난 안전성과 긴 수명, 낮은 제조 비용을 바탕으로 최근 전기차와 에너지저장장치(ESS) 분야 활용 비중이 빠르게 높아지고 있다. 그러나 니켈 기반(NCM) 배터리보다 에너지 밀도가 낮아 고성능 배터리 구현에는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 LFP 나노입자의 표면 분자를 개조한 하이브리드 전극을 개발했다. LFP 나노입자는 합성 과정에서 입자의 균일한 분산을 위해 절연성 비활성 리간드가 표면에 결합되어 있는데, 간단한 치환 반응을 통해 이를 전기를 직접 저장할 수 있는 고에너지 리간드로 교체한 것이다. 

*리간드(Ligand): 금속 이온과 결합해 물질의 구조와 성질을 조절하는 분자

새롭게 도입된 리간드는 공유결합으로 LFP와 안정적으로 연결돼 전해질에 쉽게 분해되지 않는다. 나아가 열처리 공정을 통해 전극 내부의 결합을 모두 공유결합으로 전환해 더욱 견고한 3차원 네트워크를 형성함으로써 구조적 안정성과 내구성을 한층 높였다. 이를 통해 높은 에너지 저장 능력과 안정성을 동시에 확보했으며, 기존 LFP의 이론 용량 한계를 뛰어넘는 고용량 전극 구현에 성공했다.

개발된 전극은 기존 LFP 전극의 이론용량(170 mAh/g)보다 약 1.5배 높은 260 mAh/g의 용량을 구현했으며, 활물질 기준 686 Wh/kg의 높은 에너지 밀도를 달성했다. 또한 3,800시간 이상의 안정적인 장기 구동과 우수한 사이클 안정성을 확인해 높은 용량과 긴 수명을 동시에 확보했다. 

*활물질: 배터리 전극에서 접착제나 전도체 등 부속 물질을 제외하고, 실제로 화학 반응을 통해 전기를 저장하고 방출하는 핵심 유효 물질. 여기서는 LFP 나노입자와 고에너지 리간드 복합체를 뜻한다

조진한 교수는 “이번 연구는 고에너지 유기 리간드와 LFP를 공유결합으로 연결해 기존의 한계를 극복한 차세대 하이브리드 전극을 제시한 연구”라며 “향후 전기차와 ESS 등 고성능 리튬이온 배터리가 필요한 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구 성과는 에너지 저장 분야의 세계적 권위 학술지인 ‘Nano-Micro Letters (IF=38.5)’ 온라인에 7월 30일 게재됐으며, 논문의 우수성을 인정받아 2027년 첫 호 전면 표지로 선정됐다. 

*논문명: Redox-Active Ligand-Stabilized Lithium Iron Phosphate Nanoparticles for High-Performance Lithium Ion Battery Cathode with High Capacities and Long-Term Stability

*DOI: doi.org/10.1007/s40820-026-02313-6

*URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-026-02313-6

이번 연구는 한국연구재단 중견핵심(도약) 기초연구실지원사업 및 미래융합파이오니아 사업의 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과 복지원 석사(공동제1저자), 조진한 교수(교신저자), 대구경북과학기술대학원(DGIST) 고용민 연구원(교신저자), 한양대 에너지바이오학과 김병현 교수(교신저자). 이외에도 고려대 안정연 박사후연구원, 한양대 박보근 박사과정, 조지아텍 남동현 박사후 연구원이 공동제1저자로 참여했다.