하손 학생(윤영수 교수님 연구실),

Adanvced Functional Materials  back cover 선정

▲ 왼쪽부터 KU-KIST융합대학원 하손 석/박사 통합과정, 윤영수 교수, 구종민 교수

차세대 리튬금속전지의 음극용 소재로 주목 받고 있는 2차원 신소재 MXene 표면에서 리튬 금속 핵생성과 성장 거동을 관찰하였으며, 균일한 리튬 증착 메커니즘을 규명하였다.

  웨어러블, 전기차, 지능형 로봇 등의 첨단 전자 기기의 발명은 일상 활동에 높은 편의성을 제공하는 새로운 시대를 열었다. 앞으로 이러한 기기는 사물 인터넷과 빅 데이터를 통해 인공 지능과 연결되어 보다 편리한 일상으로 이어질 것이다. 이러한 첨단 시스템을 구축하는데 있어 주요 문제 중 하나는 더 나은 에너지밀도를 가지는 전력원을 개발하는 것이다. 현재 전력원으로 널리 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 높은 에너지 효율과 우수한 물리화학적 안정성을 가질 뿐만 아니라 약 240 W h kg-1의 상대적으로 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 그러나 최첨단 어플리케이션은 현재 시스템보다 훨씬 더 높은 에너지 및 전력 특성을 필요로 한다. 리튬이온 전지의 에너지 밀도는 흑연과 같은 무거운 호스트 구조에 삽입/탈리되는 메커니즘에 의해 제한되며, 이를 극복하기 위해서 호스트 구조가 없이 운용될 수 있는 리튬 금속을 음극으로 사용함으로써 더 높은 에너지 밀도를 가진 차세대 리튬금속전지가 주목받고 있다.

  리튬 금속 음극은 기존 리튬이온전지의 흑연 음극과 비교하여 10 배 이상 높은 이론용량과 낮은 레독스 전압을 가진다. 하지만 수지상 금속으로 성장하는 리튬 금속으로 인해 급격한 수명특성 저하 및 폭발·발화 등 전지의 안전성 문제가 존재한다. 일반적으로 수지상 금속 성장은 전극표면의 국부적 리튬 증착과 리튬 이온의 불균일 flux에 의해 발생한다. 이를 해결하기 위해 전극의 기핵 사이트를 증가시키는 Lithiophilic 기판 연구가 활발히 진행되고 있지만, 기판에서의 리튬 금속 핵형성 및 성장 거동에 대한 이해는 아직 불충분합니다.

  이 연구에서는 많은 수의 산소와 불소 이중 헤테로 원자를 가진 대면적 MXene 기판을 사용하여 리튬 금속 핵 형성 및 성장 거동에 대한 Lithiophilic 기판의 효과를 조사하였다. 고체-고체 계면 (MXene-SEI 층)은 증착 된 리튬 금속 핵의 표면 장력과 핵생성 과전압에 상당한 영향을 미쳐 MXene 표면 전체에 걸쳐 균일하게 분산된 리튬 나노 입자를 형성한다. 또한 Lithiopilic MXene 기판은 수많은 핵에서 여러 개의 동시 금속 성장을 통해 유효 전류 속도를 줄임으로써 운동 제어 금속 성장을 유도하였다. 운동 제어 반응 과정에서 수많은 1차 리튬 나노 입자가 응집되어 더 큰 2차 입자를 형성할 수 있었다. 그 결과, 밀집된 구조를 형성하여 입자별 미세 구조로 구성된 조밀한 금속 층이 생성됨을 통해 Lithiophilic substrate의 효과를 증명하였다. 이 독특한 리튬 금속 증착 거동은 99.0% 이상의 높은 Columbic 효율과 1000 회 이상의 매우 가역적인 수명특성을 보이는 것을 확인하였다.

  본 연구내용은 KU-KIST융합대학원의 하손 석/박사 통합과정 학생이 윤영수 교수의 지도하에 실험을 진행하였으며, 한국과학기술연구원의 김선준 박사 및 구종민 교수 연구팀과 강원대학교 임형규 교수의 도움을 받아 진행되었다.

  하손 학생은 최근 탄소 기반 리튬금속 음극과 유-무기 하이브리드 계면 막 연구 내용을 각각 Small 및 Energy Storage Materials 저널에 출판 한 바 있으며, 이번 연구는 Advanced Functional Materials (IF: 16.836)에 게재되었다. 하손 학생은 리튬 금속 전지에 국한되어 있지 않고 차세대 알류미늄 금속 전지를 주제로도 활발한 연구활동을 이어가고 있다. 

  본 연구는 지난 5월 18일 “Lithiophilic MXene-Guided Lithium Metal Nucleation and Growth Behavior”의 제목으로 온라인 게재되었으며, ‘Back cover’로 선정되었다.

그림 1. Lithiopilic Mxene 표면 위에서 리튬 금속 기핵 및 성장 과정을 보여주는 이미지

그림 2. 본 연구에서 사용된 Lithiophilic MXene 표면에 균일한 리튬 증착을 보여주는 그림이

Advanced Functional Materials지의 Back cover로 선정됨