고려대, 성능과 수명 극대화한 리튬금속 배러티 기술 개발 

국제 에너지환경분야 최상위 저널 「Energy & Environmental Science」 게재

▲ 왼쪽부터 고려대 건축사회환경공학부 김동완교수, 장건식 석사졸업생 세종대 나노신소재공학과 송희조 교수

고려대학교(총장 김동원)가 리튬금속 배터리의 성능과 수명을 향상하는 획기적인 기술을 개발했다.

공과대학 건축사회환경공학부 김동완 교수 연구팀은 금속-유기 골격체(Metal-organic framework; MOF)를 활용하여 리튬금속전지의 성능·수명을 높일 수 있는 리튬 수지상 억제 기능성 인공보호층을 개발하였다.

이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 최상위 국제 저널인 ‘Energy & Environmental Science’(IF:32.5, 상위 0.4%)에 5월 29일 온라인 게재됐다.
* 논문명 : Magnesium Fluoride-Engineered UiO-66 Artificial Protection Layers for Dendrite-Free Lithium Metal Batteries (Energy & Environmental Science)

리튬금속 음극은 현재 상용화된 리튬 이온 배터리에 사용되는 흑연 음극보다 10배 이상의 에너지를 보유한다. 또한 더 낮은 전압에서 작동하여 차세대 고에너지 배터리에 이상적으로 알려졌다. 다만, 리튬금속은 충전 및 방전 중에 바늘 모양의 리튬(수지상 성장)을 형성하여 배터리의 성능과 수명을 빠르게 저하 시킬 수 있으며, 심지어 전기적 단락으로 폭발의 위험성이 있다.

기존 연구에서는 배터리 성능과 안전성에 영향을 미치는 리튬금속 양극의 불균일한 리튬 증착(蒸着) 문제를 해결할 수 없었으나, 이번 연구에서는 특수 다공성 물질인 ‘MOF UiO-66’ 을 사용해 리튬이온이 균일하게 이동될 수 있도록 했다.

또한, 리튬이온이 더 잘 움직일 수 있도록 구조 틈새에 불화마그네슘(MgF2)을 삽입하여 리튬 이온 수송 능력을 혁신적으로 개선했다. 이 접근법으로 양극에 균일한 마그네슘-리튬 층이 형성되어 바늘 모양의 리튬 성장(수지상 성장)이 억제된다.

연구팀은 상온에서 저렴하게 만들 수 있어 대량생산에 이상적인 인공고체- 전해질 계면 (Solid-Electrolyte Interphase; SEI)이라는 보호층을 개발했다. 이 층을 갖춘 배터리는 2,000회의 빠른 충전 및 방전 주기 동안 안정적인 성능을 보여 내구성이 뛰어나고, 대규모 사용에 적합하여 첨단 리튬 금속 전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

<그림 1>

▲ (위) 개발된 I-MgF2@UiO 인공 고체-전해질 계면층에서의 탈용매화 과정에 대한 모식 (아래) 개발된 I-MgF2@UiO 인공 고체-전해질 계면층을 적용하기 전후의 리튬금속전지의 고용량 및 고전류 하에서의 장수명 특성

커뮤니케이션팀 유정아(aajyoo@korea.ac.kr)