차세대 리튬금속전지 음극용 고성능 3차원 유-무기 하이브리드 전해질-계면-막 개발
▲ 왼쪽부터 KU-KIST융합대학원 하손 석/박사통합과정, 윤영수 교수
황고분자의 상전이 반응을 통해 리튬금속음극을 보호하기 위한 3차원 유-무기 하이브리드 전해질 계면 막을 개발하였으며 이를 통해 덴드라이트 형상(수지상)의 리튬 금속 성장을 억제함으로써 높은 수명 특성을 가진 차세대 리튬금속이차전지를 구현함
내용 : 현대 과학 기술의 급속한 발전과 함께 지능형 로봇, 전기자동차, 드론 등 고성능 에너지저장기기의 수요가 급증하고 있다. 하지만 상용화된 리튬-이온 전지에서 사용되고 있는 흑연계 음극은 372 mA h kg-1의 제한된 용량을 가지고 있어, 리튬-이온 전지의 에너지밀도를 제한하고 있으며 이를 극복하기 위한 신소재 개발이 집중적으로 수행되고 있다.
리튬금속음극은 흑연계 음극보다 10배 이상 높은 용량과 낮은 레독스 전압을 가지므로 차세대 고에너지 음극소재로 주목 받고 있으나 수지상 금속으로 성장하는 리튬 금속에 의한 단락으로 인해 급격한 수명특성 저하 및 폭발·발화 등 전지의 안전성 문제가 존재한다. 따라서, 수지상 금속성장을 억제하고 높은 수명특성과 안전성을 확보하기 위한 목적을 위해 본 연구에서는 전극 기재 위에 유황 공중합체의 상전이 반응을 통해 매우 높은 리튬 이온 전도도와 균일한 리튬 이온 전달 특성을 가지는 3차원 유-무기 하이브리드 전해질-계면 막을 도입하였다. 3차원 공간 안에서 보호를 받으며 리튬 금속이 성장/제거되는 반응을 통해 안전하고 안정적으로 에너지를 저장할 수 있는 리튬금속음극이 성취되었으며, 반쪽전지와 대칭형전지 실험을 통해 1000회 이상의 충/방전 수명특성과 ~99% 이상의 쿨롱효율 등 보고된 금속 음극 중 최고의 성능을 구현하였다. 이와 더불어 현재 상용화 되어 있는 니켈기반 양극소재와 결합된 리튬금속전지 실험을 통해 3차원 구조의 유-무기 복합 전해질 계면 막의 유효성을 입증하였다.
본 연구내용은 KU-KIST융합대학원의 하손 석/박사 통합과정 학생이 윤영수 교수의 지도하에 실험을 진행하였으며, 인하대학교의 위정재 교수 및 진형준 교수 연구팀과 한국과학기술연구원의 임희대 박사 연구팀의 도움을 받아 진행되었다.
하손 학생은 작년 9월 탄소 기반 리튬금속음극 연구내용을 Small지에 게재하고 Front cover에 선정된 바 있으며, 이번 연구는 지난 2월 에너지 분야 상위저널 Energy Storage Materials (IF: 16.280)에 게재확정 되었다. 하손 학생은 MXene 신소재를 활용한 리튬금속의 성장 메커니즘 규명을 주제로 진행한 후속연구 또한 마무리 짓고 재료분야 최상위 저널에 투고하여 현재 심사 중에 있으며, 전고체 전지를 활용한 금속전지 연구를 위해 서울 시립대 및 한국과학기술연구원과 공동연구를 수행하는 등 활발한 연구 활동을 이어가고 있다.
본 연구는 지난 2월 24일 “3D-Structured Organic-Inorganic Hybrid Solid-Electrolyte-Interface Layers for Lithium Metal Anode”의 제목으로 온라인 게재되었다.
그림 1. 3차원 유-무기 하이브리드 계면 막 형성 과정과 리튬 금속 성장과정