신원호 광운대 교수팀, 배터리용 복합 고체전해질 기술 개발
리튬 메탈 배터리의 안전성과 속도 성능 향상
권태혁 기자2025.02.13 16:51
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| 한주영 광운대 전자재료공학과 석사과정, 신원호 교수, 손희상 화학공학과 교수.(왼쪽부터)/사진제공=광운대 |
신 교수는 한주영 전자재료공학과 석사과정과 손희상 화학공학과 교수팀, 김성훈 동의대 교수팀, 이동욱 홍익대 교수팀 등과 함께 연구를 수행했다.
리튬 메탈 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 약 40% 높은 에너지 밀도를 자랑한다. 하지만 충·방전 과정에서 불균일한 리튬 이온 분포로 수지상(Dendrite)이 형성되며 배터리 단락과 화재 위험을 초래하는 문제가 있다.
연구팀은 리튬 이온이 빠르게 이동할 수 있도록 복합 고체 전해질을 설계하고 리튬 이온 분포를 균일하게 조절했다. 그 결과 수지상 형성을 효과적으로 억제하는 기술을 개발할 수 있었다.
신 교수팀은 독창적인 리튬 이온 전달 경로인 '고속도로-견인 효과'(Highway-Traction Effect) 메커니즘을 갖는 유무기 복합전해질을 구현, 높은 리튬 전달력(0.78)과 리튬 이온 전도도(3.26x10-4S/cm)의 전해질을 만들었다. 또 석시노나이트릴(Succinonitrile)을 첨가해 리튬 이온 이동성을 높이는 '견인 효과'(Traction Effect)를 이끌어냈다.
이렇게 개발된 복합 고체 전해질은 높은 유연성과 기계적 복원력을 지닌다. 차세대 리튬 메탈 배터리의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 가능성을 연 셈이다.
연구진은 충·방전 시 LiF, Li3N이 풍부한 SEI(solid electrolyte interphase) 층이 형성돼 높은 전류 환경(1000시간↑)에서도 리튬 이온이 균일하고 빠르게 전달되는 것을 확인했다. 뿐만 아니라 LFP(리튬인산철) 배터리의 수지상 형성 억제력과 10C에 달하는 전류밀도에서의 뛰어난 속도, 용량 유지력 등을 입증했다.
광운대 관계자는 "이번 연구 성과는 리튬 메탈 전고체 배터리의 안전성과 성능을 획기적으로 향상할 수 있는 혁신적인 기술 도약"이라며 "차세대 에너지 저장 장치의 상용화 가능성을 크게 높였다"고 말했다.
한편 신 교수팀은 한국연구재단 '기초연구실 개척형 사업'의 지원을 받아 연구를 수행했다. 연구 결과는 'Electrospun 1D Al-LLZO incorporated PVDF-HFP composite electrolyte with fast Li+path way derived from highway-traction effect for high performance lithium metal batteries'라는 제목으로 화학·공학 분야 국제학술지 'Chemical Engineering Journal'(IF=13.4, JCR 상위 3.1%)에 게재됐다.
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| 신원호 광운대 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=광운대 |
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