조진한 교수, Advanced Energy Materials 게재 및 표지논문 선정
100 nm 이하의 초박막 기술로 구현한 기능성 탄소나노튜브 기반의 리튬 금속 배터리용 인터레이어 개발
▲ 조진한 고려대 화공생명공학과 교수(교신저자), 고용민 DGIST 에너지환경연구부 박사(공동교신저자), 백서인 고려대 KU-KIST 융합대학원 교수(공동교신저자), 남동현 조지아텍 기계공학과 박사(제1저자), 진규호 고려대 화공생명공학과 석사(공동제1저자)
고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 및 KU-KIST 융합대학원 조진한 교수 연구팀은 다공성 탄소나노튜브 기반의 초박막 인터레이어를 층상자기조립(layer-by-layer) 방식으로 구현하여, 리튬 금속 배터리에서 획기적으로 안정적인 수명 확보와 고에너지 밀도 구현을 동시에 달성하는 데 성공했다.
리튬 금속은 매우 높은 이론 용량(3,860 mAh g⁻¹)과 낮은 전기화학적 퍼텐셜(−3.04 V vs. SHE)을 지닌 차세대 음극재로 주목받고 있으나, 충방전 시 형성되는 리튬 덴드라이트로 인해 단락(short circuit) 및 수명 저하 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해, 전극과 분리막 사이의 계면 구조를 제어하는 초박막 인터레이어 기술이 요구되고 있다. 이에 조진한 교수 연구팀은 리튬친화성 기능기를 갖는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 분산한 후, 저분자 아민계 유기링커 (tris(2-aminoethyl)amine, TAA)와의 정밀한 계면 상호작용을 통해 비활성 고분자 바인더 없이도 60 nm 수준의 초박막 구조를 층상자기조립법으로 형성하는 데 성공하였다. 해당 구조는 상용 분리막에 직접적으로 형성되어 높은 이온 전도성, 낮은 접촉 저항, 높은 기계적 안정성을 동시에 확보하였다. ○ 연구팀은 COOH로 기능화된 MWCNT와 NH2로 기능화된 TAA 분자를 에탄올 기반 용액상에서 반복적으로 자기조립하여, 나노미터 단위로 두께 제어가 가능한 기능성 인터레이어(MWCF)를 제작하였다.
○ 형성된 초박막 인터레이어는 기존의 슬러리 기반 코팅과 달리 빈틈없는 계면 접착(gapless interface)과 우수한 전기전도성, 높은 리튬 친화성을 가지며, 리튬 이온 흐름을 균일하게 유도함으로써 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제한다.
특히, 본 인터레이어를 적용한 대칭형 리튬셀(Li|Li)은 3 mA cm-2 조건에서도 10,000시간 이상 안정적인 장기 구동이 가능했으며, NMC811 및 LFP 양극과의 전지 구성에서도 678 Wh kg-1에 이르는 고에너지 밀도와 1,500사이클 이상의 안정적인 수명 특성을 확보했다.
조진한 교수는 "이번 연구는 계면구조 제어를 기반으로 한 초박막 기능성 인터레이어가 리튬 금속 배터리의 수명과 안전성 문제를 동시에 해결할 수 있다는 점을 보여준다"며, "향후 다양한 금속 음극 기반 차세대 전지에 적용될 수 있는 범용 기술 플랫폼으로 활용될 것"이라고 밝혔다.
본 연구성과는 에너지 저장 분야의 세계적 권위 학술지 Advanced Energy Materials (IF = 26)에 7월 12일자로 온라인 게재되었으며, 표지논문으로 선정되었다. 고려대학교 남동현 박사후연구원과 진규호 박사과정, 조태환 석사과정이 공동 제1저자로 참여하였다.
*논문명: Ultrathin, Layer-by-Layer Assembled Lithiophilic Interlayers for Dendritic Growth-Suppressed Lithium Metal Anodes
*URL: https://doi.org/10.1002/aenm.202500850 **조진한 교수 홈페이지: http://uflab.korea.ac.kr/
| 