조진한 교수, 음각-주름 구조와 리튬친화성 계면 개질을 결합한 차세대 리튬 금속 배터리용 탄성체 전극 개발
고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 및 KU-KIST 융합대학원의 조진한 교수, KU-KIST 융합대학원의 백서인 교수, DGIST의 고용민 박사 연구팀은 탄성체 표면에 음각-주름 구조와 리튬친화성 계면 개질을 동시에 구현함으로써 차세대 리튬 금속 탄성체 전극을 개발하였다. 이를 통해 리튬 금속 배터리에서 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하고 장수명, 고안정성을 동시에 확보하는 데 성공했다. 리튬 금속 배터리는 현재 스마트폰·전기차 등에 쓰이는 리튬 이온 배터리를 이을 차세대 배터리로 주목받고 있다. 리튬 금속은 용량이 크고 높은 전압을 구현할 수 있어 훌륭한 음극 소재로 꼽혀서다. 다만 충·방전 과정에서 리튬이 전극 표면에 뾰족하게 자라나 배터리 내부 합선을 유발하고 성능을 떨어뜨리는 ‘덴드라이트’ 현상이 걸림돌로 지적된다. 연구팀은 탄성체 전극 위에 리튬친화성 아민 분자를 입힌 차세대 리튬 금속 배터리용 전극을 개발했다. 기존의 딱하고 평평한 금속 집전체 대신 말랑말랑한 탄성체 전극을 도입한 것이다. 연구팀은 이어 표면에 오목한 홈과 미세한 주름을 결합한 계층형 구조를 만들었다. 여기에 아민 분자를 정밀하게 코팅한 새로운 전극을 설계했다.
(그림 1) 음각-주름 구조와 리튬친화성 계면 개질을 이용한 탄성체 리튬 금속 전극 제작 및 작동 메커니즘 모식도 연구팀이 개발한 전극은 전류 분포를 효과적으로 분산·유도하고 리튬의 핵 생성·성장을 안정적으로 제어, 덴드라이트 현상을 억제하는 것으로 나타났다. 조진한 교수는 “이번 연구는 음각·주름 기반의 계층형 구조 설계와 리튬친화성 계면 개질을 결합해 리튬 금속 배터리의 덴드라이트 성장과 계면 불안정성 문제를 동시에 해결할 수 있음을 보여준 연구”라며 “향후 고에너지밀도 차세대 금속 음극 전지에 적용 가능한 범용 전극 플랫폼으로 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 한국연구재단의 기초연구실사업 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 에너지 분야 저명 국제학술지(Advanced Energy Materials)에 게재됐다.
*논문명: High-Performance Elastomeric Lithium Metal Anodes Enabled by a Lithiophilic Monolayer-Assembled Nano-Crumpled Micro-Concave Architecture. *URL: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.71104 | 