 |
| 한양대학교 공과대학 화학공학과 김동원 교수. |
한양대학교 공과대학 화학공학과 김동원 교수 연구팀이 삼성SDI와 공동으로 차세대 고에너지밀도 배터리로 주목받는 무음극 리튬금속전지(Anode-Free Lithium Metal Battery)의 수명과 구조적 안정성을 높이는 새로운 기술을 개발했다.
무음극 리튬금속전지는 기존 리튬이온전지의 흑연 음극과 달리 제조 단계에서 별도의 리튬 음극 활물질을 사용하지 않고, 충전 과정에서 양극에서 나온 리튬을 구리 집전체에 직접 석출시키는 방식이다. 별도의 음극 활물질이 필요하지 않아 전지의 무게와 부피를 줄이면서 에너지 밀도를 높일 수 있어 차세대 배터리 기술로 주목받고 있다.
다만 충·방전을 반복하면 리튬이 구리 집전체 표면에 불균일하게 석출되면서 덴드라이트와 비활성 리튬(dead Li)이 형성되고, 리튬의 석출·용출 과정에서 전극의 부피가 크게 변화해 수명이 빠르게 저하되는 문제가 있다. 이러한 구조적 불안정성은 무음극 리튬금속전지의 상용화를 가로막는 주요 과제로 꼽혀왔다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 니트릴부타디엔고무(NBR), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 리튬이 도입된 실리카(Li–SiO₂) 나노입자를 결합한 전기방사 나노섬유 중간층을 개발했다.
탄성이 우수한 NBR/PAN 섬유는 리튬의 석출·용출 과정에서 발생하는 부피 변화를 흡수해 전극의 구조적 안정성을 높인다. 동시에 PAN의 니트릴기는 리튬 이온과 상호작용해 이온의 흐름을 균일하게 조절한다. 여기에 Li–SiO₂ 나노입자를 더해 리튬 이온의 분포를 조절하면서 나노섬유 구조를 기계적으로 보강하도록 했다.
하나의 얇은 중간층이 리튬 이온의 이동을 균일하게 조절하는 동시에 충·방전 과정에서 발생하는 기계적 응력을 완화하는 두 가지 기능을 수행하도록 설계한 것이 이번 연구의 핵심이다. 이를 통해 무음극 리튬금속전지에서 발생하는 불균일한 리튬 석출과 전극의 큰 부피 변화를 동시에 억제할 수 있도록 했다.
연구팀은 실제 전지에서의 적용 가능성을 확인하기 위해 고용량·고로딩 NCA 양극을 적용한 9층 적층형 양면 파우치 셀도 제작했다. 제작된 파우치 셀은 2.2 Ah의 방전 용량을 나타냈으며, 100회 충·방전 이후에도 높은 용량을 유지했다.
특히 전지 전체의 무게와 부피를 기준으로 각각 390 Wh/kg의 중량 에너지 밀도와 900 Wh/L의 부피 에너지 밀도를 구현했다. 연구팀은 이를 통해 이번에 개발한 나노섬유 중간층 기술이 높은 에너지 밀도와 안정적인 충·방전 성능을 동시에 요구하는 차세대 무음극 리튬금속전지에 적용될 가능성을 제시했다.
이번 연구는 삼성SDI와 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며, 삼성SDI는 전지 제작과 평가에도 참여했다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 「Advanced Functional Materials」에 ‘Bifunctional Electrospun Polymer–Inorganic Interlayer for Stable and High-Energy-Density Anode-Free Lithium Metal Batteries’라는 제목으로 게재됐다. 한양대 김동원 교수팀과 삼성SDI 차세대전지 연구팀이 공동 저자로 참여했다.
