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왼쪽부터 고려대 화공생명공학과 조진한 교수(교신저자), DGIST 에너지환경연구부 고용민 박사(공동교신저자), 고려대 KU-KIST 융합대학원 백서인 교수(공동교신저자), 조지아텍 기계공학과 남동현 박사(제1저자), 고려대 화공생명공학과 진규호 석사(공동제1저자). |
[대학저널 온종림 기자] 고려대학교 화공생명공학과 조진한 교수 연구팀이 리튬 친화성 탄소나노튜브 기반의 초박막 인터레이어를 층상자기조립(layer-by-layer) 방식으로 구현함으로써, 리튬 금속 배터리의 수명 안정성과 고에너지 밀도 구축을 동시에 달성했다.
이번 연구 성과는 에너지 저장 분야의 세계적으로 권위 있는 학술지 ‘Advanced Energy Materials(IF=26)’ 온라인에 7월 12일 게재됐으며, 표지논문으로 선정됐다.
리튬 금속은 이론적으로 용량이 매우 크고 전기화학적 특성이 뛰어나 차세대 배터리 음극재로 주목받고 있다. 하지만 충·방전 과정에서 전극 표면에 리튬 결정이 쌓이며, 내부 단락(short circuit)과 수명 저하 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해, 전극과 분리막 사이의 계면 구조를 제어하는 초박막 인터레이어 기술이 요구된다.
이에 조진한 교수 연구팀은 리튬 친화성 기능기를 지닌 다중벽 탄소나노튜브(Multiwalled Carbon Nanotube, MWCNT)를 에탄올 용액에 분산시킨 후, 저분자 아민계 유기물인 TAA(tris(2-aminoethyl)amine, TAA)와 층층이 결합시켰다. 이를 통해, 접착체 역할의 고분자 바인더 없이 약 60 나노미터(nm) 두께의 초박막 인터레이어를 성공적으로 구현했다. 이 구조는 상용 분리막 위에 직접 형성할 수 있으며, 높은 이온 전도성, 낮은 접촉 저항 그리고 뛰어난 기계적 안정성까지 갖췄다.
연구팀이 개발한 인터레이어는 물질을 액체 상태로 만들어 코팅하는 기존의 슬러리 기반 방식과 달리, 표면 사이에 빈틈 없이 밀착되는 무간극(gapless) 접착 구조를 형성한다. 이를 통해 이 인터레이어는 리튬 이온의 흐름을 균일하게 유도해 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제한다.
실제로 해당 인터레이어를 적용한 리튬 대칭셀(Li|Li)은 3 mA/cm²(제곱센티미터당 밀리암페어)의 고전류 밀도 조건에서도 10,000시간 이상 안정적으로 작동했으며, 상업용으로 널리 쓰이는 양극재인 NMC811(Ni0.8Mn0.1Co0.1) 및 LFP(LiFePO4)와 결합한 전지 구성에서도 678 Wh/kg(킬로그램당 와트시)에 이르는 고에너지 밀도와 1,500사이클 이상의 장기 수명 특성을 입증했다.
조진한 교수는 "이번 연구는 계면 구조 제어를 기반으로 한 초박막 기능성 인터레이어가 리튬 금속 배터리의 수명과 안전성 문제를 동시에 해결할 수 있음을 보여주는 사례"라며, "향후 다양한 금속 음극 기반 차세대 전지에 적용 가능한 범용 기술 플랫폼으로 활용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견 도약과제 지원을 받아 수행됐다.
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