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한양대학교 화학공학과 김동원 교수 연구팀(반아현 박사과정, 노진아 석사과정, 최재경 석사과정)과 삼성SDI 연구진이 공동으로 개발한 ‘3차원 가교결합 고분자 보호막을 적용한 무음극(anode-free) 리튬금속전지’ 연구가 세계적 권위지 Advanced Functional Materials에 게재되었다.  이번 성과는 차세대 고에너지 밀도 배터리 상용화에 중요한 전기를 마련했다는 평가를 받고 있다. 

전기차와 모바일 기기의 수요 증가로 고에너지, 고안전성 배터리 기술이 절실히 요구되고 있다. 기존 리튬이온전지는 흑연 음극을 사용하지만, 이론적 용량 한계로 인해 더 높은 용량 구현에 제약이 있다.  이에 주목받는 것이 무음극(anode-free) 전지이다.  무음극 전지는 음극에 별도의 리튬을 사용하지 않아 현재 상용화된 리튬이온전지(~250 Wh/kg)보다 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있으며, 제조 공정도 단순화되는 장점이 있다. 그러나 충방전 과정에서 리튬 금속이 불균일하게 석출되며 ‘덴드라이트(dendrite)’라 불리는 바늘 모양 구조가 발생, 단락과 화재 위험을 유발하는 것이 최대 걸림돌이었다.  

이러한 문제를 해결하기 위해 김동원 교수 연구팀은 질산은(AgNO3)을 포함한 3차원 가교결합 고분자 보호막을 개발했다.  개발된 고분자 보호막은 충전 과정에서 은 이온이 리튬과 합금(Li-Ag alloy)을 형성해 균일한 리튬의 석출을 유도하고, 높은 기계적 강도와 1.2 GPa 수준의 높은 탄성을 가져 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있으며, 고분자와 이온의 상호작용으로 리튬 이온이 균일하게 이동하여 높은 출력 특성을 나타낸다. 그 결과, 고용량의 후막 양극(22.5 mg/cm²)을 적용한 파우치형 전지에서 177.7 mAh/g의 방전 용량과 우수한 수명 특성을 실현하였으며, 384.2 Wh/kg , 833.7 Wh/L의 높은 에너지 밀도를 달성하였다. 이번 연구는 삼성SDI 전략산학과제와 한국연구재단의 지원을 받아 이루어졌으며, 국제적으로 주목받는 『Advanced Functional Materials(IF=19)』에 표지논문으로 게재되었다. 해당 논문 「 A Robust 3D Cross-Linked Polymer Layer with Controlled Silver Release for Long-Life Anode-Free Lithium Metal Batteries」는 한양대 반아현, 노진아 학생이 공동 제1저자로, 한양대 김동원 교수가 교신저자로 참여했다.