▲ (좌측부터) 오충선 석사(제1저자), 한국표준과학연구원 김용일 박사(공동 교신저자), 한동욱 교수(교신저자)

우리 대학 미래에너지융합학과 한동욱 교수 연구팀(제1저자: 오충선 석사)은 한국표준과학연구원 김용일 박사 연구팀과의 공동연구를 통해, 리튬이온이차전지의 급속 충전 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 신규 음극소재 ‘NASICON (Na Super Ionic CONductor) 구조 기반의 LiTi2(PO4)3/C 복합체’를 개발하였다. 본 연구 결과는 소재 분야 세계적 권위의 SCIE 국제 학술지인 ‘Advanced Functional Materials (IF: 19.0)’에 2026년 6월 1일자로 게재되었다.

일반적으로 리튬이온이차전지는 급속 충전 시 음극소재와 전해질 계면에서의 높은 전기화학적 불안정성과 음극소재 자체의 낮은 열안정성으로 인해 전지의 출력 및 안전성이 급격히 저하된다. 본 연구팀은 이를 극복하기 위해 구조적·열적 안정성이 탁월한 NASICON 구조의 LiTi2(PO4)3 소재에 주목하였다. 특히, 기존의 보편적인 화학양론적(stoichiometric) 조성을 벗어나 인(P)과 티타늄(Ti) 간 비율을 의도적으로 높인 비화학양론적(off-stoichiometric) 조성의 LiTi2−δ(PO4)3를 새롭게 설계 및 구현하는 데 성공하였다.

▲ 비화학양론적 조성 기반 고출력·고안정성 LiTi2−δ(PO4)3/C 음극 복합체 개발의 주요 결과

개발된 비화학양론적 소재는 제조를 위한 고온 열처리 과정에서 입자의 표면부에 TiP2O7 제2상이 자발적으로 형성된다 [LiTi2−δ(PO4)3 → (1−2δ)LiTi2(PO4)3 + 3δTiP2O7 + δLi2O(↑) + δO2(↑)]. 이와 동시에 전기전도도 향상을 위해 첨가된 탄소원은 비정질 탄소로 분해되어 입자 표면에 잔류하며 복합화된다. 

이렇게 형성된 TiP2O7 제2상은 LiTi2−δ(PO4)3 입자 표면과 전해질 계면에서의 리튬 이온 활성화 및 전하 전달 반응을 촉진하는 역할을 수행한다. 또한, TiP2O7 구조 내에 존재하는 높은 자유도의 P–O–P 결합은 구조적 유연성(flexible lattice dynamics)이 뛰어나, 급속 충전 시 발생할 수 있는 NASICON 격자 구조의 물리적 변형과 영구적 손상을 최소화한다. 김용일 박사 연구팀과의 협업을 통해 이러한 현상을 원자 수준에서 결정학적으로 정밀하게 해석할 수 있었다.

결과적으로 본 연구팀이 개발한 비화학양론적 LiTi2−δ(PO4)3/C 음극 복합체는 상용화에 유리한 대형 입자 크기(평균 15 μm)를 가짐에도 불구하고 10C의 가혹한 급속 충전 조건(단 6분 만에 완전 충전)에서도 250회 이상 안정적인 충·방전 사이클 수명을 구현하였다. 특히, 대표적인 상용 양극소재인 LiFePO4 (LFP) 및 차세대 고전압 양극소재인 LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO)와의 완전 셀(full cell) 평가를 통해서도 우수한 전기화학적 성능이 입증되었다.

한동욱 교수는 “비화학양론적 조성 설계와 활물질 입자 표면부에서의 자발적 상 변환을 유도하는 이번 연구는 이차전지 급속 충전의 한계를 극복하는 새로운 패러다임을 제시한 것”이라며, “향후 차세대 고출력 전지 및 전고체 전지(all-solid-state battery)용 핵심 소재 개발에 폭넓게 확대 적용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

[논문 정보]
저널명: Advanced Functional Materials
출판일: 01 June 2026 (Available online)
논문 제목: Unlocking Ultrafast Charging: Synergizing Embedded Pseudocapacitive Domains and Flexible Lattice Dynamics in Off-stoichiometric LiTi2(PO4)3 Anodes
(https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.76250)