차세대 고성능 리튬 금속 이차전지 음극용 전극 호스트 소재 개발

윤영수 교수팀 연구결과, Chemical Engineering Journal 게재돼

▲ 왼쪽부터 KU-KIST융합대학원 박민혁 석/박사 과정, 윤영수 교수

KU-KIST 윤영수 교수팀이 리튬 금속 이차전지 음극용 전극 호스트 소재를 개발하였다. 연구진은 이를 통해 상용화된 고전압용 전해질에 기초한 이차전지 셀에서 높은 에너지 효율과 안정적인 수명 특성을 구현하였다.

고려대 KU-KIST 융합대학원의 박민혁 석/박사과정생이 윤영수 교수의 지도 하에 진행한 이번 실험은 "Multifunctional surface-engineering of 3D-lithiophilic nanocarbon scaffold for high-voltage anode-minimized lithium metal batteries"의 제목으로 지난 2월 15일에 Chemical Engineering Journal에 게재되었다.

▲ 질산염 첨가제가 균일하게 코팅된 3차원 탄소 기반 호스트 전극 소재의 전기화학적 전해질 분해 특성과 고체-전해질-계면 층의 화학적 조성을 보여주는 데이터

리튬 금속 전지는 3860 mA h g^-1의 높은 이론용량과 표준수소전극 대비 -3.04V의 낮은 전기화학전위를 가지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 차세대 이차전지이다. 이는 고에너지밀도를 구현할 수 있음을 시사하며 많은 주목을 받고 있다. 하지만 4V이상의 고전압 범위에서 사용할수 있는 카보네이트계 전해질에서 심각한 수지상 금속 성장 문제가 대두되며, 이로 인해 치명적인 안정성 문제와 지속적인 전해질 분해에 의한 낮은 에너지효율이 해결해야 할 과제로 남아있다. 따라서 새로운 전해질 시스템을 연구하거나 촉매효과를 가지는 3차원 리튬 친화성 전극을 사용하는 방안이 가장 실용 가능한 해결방안으로써 연구되고있다. 그러나 3차원 전극의 넓은 비표면적은 지속적인 전해질 분해를 일으켜 여전히 낮은 에너지 효율을 나타내거나 과량의 데드리튬 적층으로 인해 안정적인 배터리 구동을 어렵게 만드는 문제가 존재한다. 특히 고전압용 카보네이트계 전해질 시스템에서는 에너지효율 향상과 수명특성 개선에 가장 효과적인 첨가제로 알려진 질산염의 용해도가 매우 낮아 해당 첨가제를 사용할 수 없는 한계점을 가지고 있다.

본 연구에서는 3차원 나노미세구조를 가진 천연 고분자 소재의 열분해 공정 제어를 통해 3차원 망상형 나노구조를 가지는 탄소소재를 제조하였으며 질산염을 제조된 호스트 탄소계 나노구조화 된 표면 위에 균일하게 코팅함으로써 카보네이트계 전해질의 분해를 억제하였다. 이를 통해 고전압 및 고에너지밀도를 가지는 고성능 리튬 금속 이차전지를 구현하였다.