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왼쪽부터 가천대 화공생명배터리공학부 최정현 교수, UNIST 에너지화학공학과 곽원진 교수, 중앙대 에너지시스템공학부 문장혁 교수. 사진=가천대 제공 |
[대학저널 온종림 기자] 가천대학교 화공생명배터리공학부 최정현 교수 연구팀이 울산과학기술원(UNIST) 곽원진 교수 연구팀, 중앙대학교 문장혁 교수 연구팀과 공동으로 리튬이온전지의 에너지밀도를 향상시킬 수 있는 후막 건식 음극 사전리튬화(prelithiation) 기술을 개발했다.
이번 연구는 건식 전극 제조와 사전리튬화를 동시에 수행하는 원스텝 공정 전략을 제안한 것이 특징이다. 이를 통해 리튬이온전지 음극의 초기 충방전 효율(Initial Coulombic Efficiency)과 셀 에너지밀도를 동시에 개선했다.
리튬이온전지 음극은 초기 충전 과정에서 전해질 분해 등 부반응으로 가역 리튬 손실이 발생하며, 이는 에너지밀도 저하의 주요 원인으로 지적돼 왔다. 기존 사전리튬화 기술은 연속 공정 적용의 어려움과 추가 공정에 따른 비용 부담으로 상용화에 제약이 있었다.
연구팀은 건식 공정 기반의 고에너지밀도 후막 음극을 리튬 메탈이 코팅된 동박(Li/Cu) 집전체에 직접 접합하는 공정을 제안했다. 이 방식은 기존 건식 전극 공정에서 사용되던 접착층을 대체하면서 음극의 비가역 반응을 보상할 수 있는 추가 리튬을 공급해 초기 충방전 과정에서의 리튬 손실을 완화했다.
연구 결과, 제안 공정을 적용한 음극은 기존 건식 전극 대비 전기저항이 감소하고 고체전해질계면(SEI)이 균일하게 형성됐다. 초기 충방전 효율이 개선됐으며, 실리콘/흑연(Si/G) 음극과 Ni-rich 양극을 적용한 풀셀 평가에서 기존 대비 20% 이상 향상된 에너지밀도와 안정적인 사이클 성능을 확인했다.
해당 공정은 연속식 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정과의 호환성이 높고, 추가적인 습식 공정이나 복잡한 후처리 단계 없이 적용 가능해 제조 효율 향상 가능성을 제시했다.
이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지인 ‘Energy & Environmental Science(Impact Factor 31.0)’에 지난달 21일 ‘Integrated one-step dry process enabling prelithiated thick electrodes without primer coating for high energy density and initial coulombic efficiency’라는 제목으로 온라인 게재됐다.
최정현 교수는 “이 연구는 건식 공정의 장점을 유지하면서도 리튬이온전지 음극의 고질적인 초기 효율 문제를 해결했다는 점에서 의미가 크다”며 “배터리 에너지밀도 향상과 동시에 가격 경쟁력 확보에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
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