본교 신소재공학과 김우진 교수의 연구팀이 2025년 11월 한달동안 금속 포일 기반 차세대 리튬이차전지 소재 연구로 국제 최상위급(Q1) 학술지 4편을 연이어 발표하는 성과를 거두었다. 

이번 발표 논문 중 가장 주목받은 연구는 미국화학회(ACS)의 에너지 분야 대표 저널 ACS Energy Letters에 게재된 논문 「Materials-by-Design and Predictive Lifetime Modeling toward Durable Aluminum Foil Anodes for Lithium-Ion Batteries」이다. 이 연구는 본교 박사과정 정희태 학우와 신소재공학과 김우진 교수가 공동으로 수행한 것으로, 연구팀은 고에너지밀도 리튬이차전지를 위해 흑연 음극의 대안으로 주목받고 있는 알루미늄 금속 포일 음극의 이론용량과 수명을 향상시키기 위해 알루미늄 포일 내부 미세조직 조정, 계층적 입계 설계, 기계적 손상 분석하여 수명 예측 모델링 프레임워크를 구축하였다. 나아가, 미세구조 기반 설계 원리와 데이터 기반 수명 예측 모델을 하나의 통합 설계 체계로 결합함으로써, 알루미늄 포일 음극의 성능과 내구성을 정량적으로 예측·최적화할 수 있는 방법론을 제시하였으며, 이러한 점에서 국제 학계의 높은 평가를 받고 있다. 

현재 상용 리튬이차전지 음극은 대부분 흑연이지만, 에너지밀도·무게·부피면에서 더 이상의 혁신이 어렵다는 점이 해외 연구자들에 의해 지속적으로 지적되어 왔다. 최근 국제 리뷰 논문들에서도 알루미늄, Mg–Li(마그네슘-리튬 합금), Sn(주석) 기반의 금속 포일 음극(foil anode)은 높은 이론용량과 제조 용이성의 장점으로 주목받고 있지만, 충·방전 과정에서의 극심한 팽창·수축, 입계(grain boundary) 균열, 초기 Coulomb 효율 저하와 같은 문제로 상용화가 정체되어 있다는 지적이 제기되어 왔다. 본교 연구팀은 이러한 난제를 해결하기 위해 알루미늄 포일 내부 미세조직 조정, 계층적 입계 설계, 기계적 손상 분석, 수명 예측 모델링을 동시에 적용하여 구조적 안정성을 크게 높였다.

아울러 연구팀은 Materials Horizons, Journal of Magnesium and Alloys, Journal of Energy Storage에 세 편의 후속 논문을 동시에 발표하며 금속 포일 기반 음극 연구의 외연을 확장하였다. Materials Horizons 논문에서는 계층적 적층 입계 구조구조(laminated grain boundary network)를 적용해 알루미늄 포일 음극의 에너지 밀도와 수명을 동시에 향상시키는 설계 전략을 보고하였다. Journal of Magnesium and Alloys에서는 초경량·고성능 음극재인 마그네슘-리튬 합금 포일을 강소성 이속압연과 정밀 미세조직 제어를 통해 기하학적 취성화(geometric embrittlement) 현상을 억제하는 상온 성형성을 확보한 연구 결과를 제시하였다. 또한 Journal of Energy Storage 논문에서는 선택적 프리리치에이션(prelithiation)을 통한 자가치유(self-healing) 기반 구조 안정화 메커니즘을 보고하며, 순수 Sn(주석) 포일 음극의 균열 및 분말화 문제를 근본적으로 완화하는 새로운 경로를 제시하였다.

알루미늄은 지구상 풍부하고 상대적으로 저렴한 금속으로서, 포일 형태로 만들기 쉬운 장점이 있다. 단, 알루미늄 포일을 음극으로 사용할 때에는 반복 충·방전 시 내부 구조가 팽창·수축하면서 균열이 생기고 이로 인해 수명이 급격히 떨어지는 문제가 있다. 연구팀은 이러한 결함을 해결하기 위해 포일 내부의 미세구조를 조정하고 입계 설계하는 등 공학적 설계 전략을 적용한 것이다. 이를 통해 리튬 이온이 삽입되고 다시 빠져나올 때 구조가 망가지지 않도록 안정성을 높였다. 결과적으로 알루미늄 포일 음극이 기존보다 더 오래 충전·방전을 견딜 수 있게 되었고, 전기차나 에너지저장장치(ESS) 등에 들어가는 배터리의 성능과 수명이 함께 향상될 가능성이 커졌다. 이러한 연구 결과로 기술이 상업화된다면 배터리 무게가 줄고, 전기차의 주행거리가 늘어날 수 있으며, 배터리 교체 주기가 길어지거나 전력 저장장치(ESS)의 경제성이 증가할 수 있을 것이다. 이처럼 이번 연구 성과는 단순 소재 개발을 넘어, 배터리 산업의 효율성·경제성·지속가능성을 동시에 향상시킬 수 있는 실마리를 제공했다고 볼 수 있다.

스탠퍼드대학교와 엘스비어(Elsevier)가 발표한 「2025 세계 상위 2% 과학자」 명단에 선정된 본교 김우진 교수는 “이번 성과는 두 학생(박사과정 정희태, P.N. Nguyen)의 꾸준한 노력과 창의적인 접근이 만들어낸 결실이며, 금속 포일 음극의 설계 및 수명 예측을 정량화함으로써 차세대 리튬이차전지 개발에 실질적인 기여를 할 것”이라고 밝히며, “금속 포일 음극 전반에 대해 설계–제조–내구성 확보–수명 예측에 이르는 전 과정을 단일 연구실 내에서 통합적으로 수행하고 있다는 점에서 학문적·산업적 파급력이 매우 크다. 특히 차세대 고에너지밀도 배터리 상용화를 가로막고 있는 핵심 기술적 한계를 완화할 수 있는 실질적 연구 토대를 마련했다는 데 큰 의의가 있다”고 강조했다.

(1)

논문 제목: Materials-by-Design and Predictive Lifetime Modeling toward Durable Aluminum Foil Anodes for Lithium-Ion Batteries

학술지: ACS Energy Letters

저자: 정희태 (제1저자), 김우진 (교신저자)

연구성과: 데이터 기반 수명 예측 모델과 알루미늄 포일 음극의 장수명 설계 원리를 결합한 세계 최초의 통합 설계 프레임워크 제시

(2)

논문 제목: Overcoming the Energy–Durability Trade-off in Aluminum Foil Anodes via Hierarchical Laminated Grain Boundaries

학술지: Materials Horizons

저자: 정희태 (제1저자), 김우진 (교신저자)

연구 성과: 계층적 적층 입계 구조를 통해 에너지 밀도와 내구성을 동시에 향상

(3)

논문 제목: Overcoming Geometric Embrittlement in Mg–Li Foils through Grain Refinement and Grain-Boundary–Mediated Deformation

학술지: Journal of Magnesium and Alloys

저자: 정희태 (제1저자), 김우진 (교신저자)

연구 성과: 미세조직 제어를 통해 초경량 Mg–Li 포일 음극재의 제조 기술과 기계적 안정성 확보

(4)

논문 제목: Self-healing in pure tin foil anodes via phase-selective electrochemical prelithiation

학술지: Journal of Energy Storage

저자: Phi N. Nguyen (제1저자), 김우진 (교신저자)

연구 성과: 단계선택적 전기화학적 프리리치에이션을 통해 순수 Sn 포일에서 자가치유형 전극 구조 구현

온라인커뮤니케이션실 안도현 기자