고려대, 리튬 친화성 60 나노미터 초박막 인터레이어 개발

리튬 금속 배터리 수명과 에너지 밀도 동시 달성
고려대 화공생명공학과 조진한 교수 연구팀

(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). (사진=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]전수현 인턴 기자 = 고려대는 본교 화공생명공학과 조진한 교수 연구팀이 리튬 친화성 탄소나노튜브 기반의 초박막 인터레이어(전극과 분리막 사이에 위치해 이온의 흐름을 조절하고, 전지 성능을 개선하는 얇은 층)를 층상자기조립(layer-by-layer) 방식으로 구현해 리튬 금속 배터리의 수명 안정성과 고에너지 밀도 구축을 동시에 달성했다고 21일 밝혔다.

리튬 금속은 용량이 매우 크고 전기화학적 특성이 뛰어나 차세대 배터리 음극재로 주목받고 있다. 하지만 충·방전 과정에서 내부 단락(short circuit)과 수명 저하 문제가 발생한다.

이에 조 교수 연구팀은 리튬 친화성 기능기를 지닌 다중벽 탄소나노튜브(Multiwalled Carbon Nanotube, MWCNT)를 에탄올 용액에 분산하고 저분자 아민계 유기물인 TAA(tris(2-aminoethyl)amine, TAA)와 층층이 결합했다.

사진은 층상자기조립법을 이용한 CNT 리튬 금속 배터리 초박막 인터레이어 제작 방법 모식도. (사진=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지

이를 통해 접착체 역할의 고분자 바인더 없이 약 60 나노미터(㎚) 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 표면 사이에 빈틈없이 밀착되는 무간극(gapless) 접착 구조를 형성한다. 이를 통해 리튬 이온의 흐름을 균일하게 유도해 덴드라이트(전극 표면에 리튬 결정이 쌓이는 현상) 성장을 효과적으로 억제한다.

실제로 해당 인터레이어를 적용한 리튬 대칭셀(Li|Li)은 3㎃/㎠(제곱센티미터당 밀리암페어)의 고전류 밀도 조건에서도 10000시간 이상 안정적으로 작동했다.

더해 상업용으로 널리 쓰이는 양극재인 NMC811(Ni0.8Mn0.1Co0.1) 및 LFP(LiFePO4)와 결합한 전지 구성에서도 678 Wh/㎏(킬로그램당 와트시)에 이르는 고에너지 밀도와 1500사이클 이상의 장기 수명 특성을 입증했다.

조 교수는 "이번 연구는 계면 구조 제어를 기반으로 한 초박막 기능성 인터레이어가 리튬 금속 배터리의 수명과 안전성 문제를 동시에 해결할 수 있음을 보여주는 사례"라고 설명했다.

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