하손 학생(윤영수 교수),

차세대 리튬금속전지용 고성능 음극소재 개발

고결정성 탄소 나노입자 내에 리튬 이온 농도를 증가시켜 덴드라이트 형상의 리튬 금속 성장을 방해하는 원리를 규명, 이를 통해 고성능 리튬 금속 음극 개발

왼쪽부터 KU-KIST융합대학원 하손 석/박사 통합과정, 현종찬 석사과정, 윤영수 교수

리튬 금속은 상용화된 리튬 이온 배터리에서 사용되는 그래파이트 음극과 비교하여 10배 이상의 높은 용량을 가지고 있어 ‘차세대 배터리 음극소재’로 주목을 받고 있다. 하지만 이온이 상변화 없이 전하수송체로 작동하는 기존 리튬이온전지의 시스템과는 달리 이온 전하수송체가 금속으로 상전이 되는 리튬금속전지에서는 상전이 과정에서의 부반응과 단락의 원인이 되는 덴드라이트의 성장을 억제하는 기술이 매우 중요하다. 본 연구에서는 고결정성 탄소 나노입자가 구성하는 나노기공 내에 리튬 이온이 고농도로 농축되는 현상을 이용하여 균일하게 리튬 금속이 성장하는 메커니즘을 규명하였으며, 이를 이용하여 고효율 고안정성 리튬금속전지를 개발하였다. 본 연구를 통해 개발된 리튬금속전지는 전극기준 약 510 Wh kgelectrode-1의 고에너지와 2,760 W kgelectrode-1에 해당하는 고출력을 동시에 만족하며 현재 상용화된 배터리 셀에서 전극이 차지하는 무게가 60% 정도임을 고려하면 적어도 300 Wh kg-1의 에너지밀도를 가지는 배터리로써, 이는 전기자동차에 사용되고 있는 리튬이온전지(~250 Wh kg-1)보다 20% 높은 에너지밀도를 가지는 것으로 계산된다. 이는 테슬라와 현대자동차 등 글로벌 자동차기업이 추진하고 있는 개인용 비행체 (PAV)에 탑재될 수 있는 전력원의 에너지/출력 기준을 만족하는 가장 경쟁력 있는 차세대이차전지의 개발로 생각된다.

본 연구내용은 KU-KIST융합대학원의 하손 석/박사 통합과정 학생이 윤영수 교수의 지도하에 주저자로 실험을 주도하여 이루어낸 성과이며, KU-KIST융합대학원의 석사과정 현종찬 학생, 한국과학기술연구원의 임희대 박사 및 고려대학교 화공생명공학과 곽진환 박사과정 학생의 도움을 받아 진행되었다.

하손 학생은 본 연구에 이어 MXene, 황고분자 등 신소재를 금속전지의 음극소재로 활용하는 연구를 활발히 수행 중이며, 왕성한 연구의욕을 보여주고 있다.

본 연구는 지난 9월 2일 Small (Impact Factor: 11.459) 지에 “Hierarchically Nanoporous 3D Assembly Composed of Functionalized Onion-Like Graphitic Carbon Nanospheres for Anode-Minimized Li Metal Batteries”의 제목으로 온라인 게재되었으며 ‘Front cover’ 로 선정되었다.

그림 1. 이온교환을 통해 나노기공 내에 리튬 이온이 농축된 후 리튬 금속으로 상전이 되는 메커니즘을 보여주는 이미지

그림 2. 본 연구를 통해 개발된 리튬금속전지가 개인용 비행체 (PAV)의 전력원으로 사용되어 도심을 비행하는 모습을 보여주는 그림이 Small지의 Front cover로 선정됨