커뮤니티 Community

한양대학교 화학공학과 김동원 교수 연구팀이 삼성SDI와 공동으로 무음극 리튬금속전지의 수명과 구조적 안정성을 높이는 ‘나노 섬유 중간층 기술’을 개발했다. 무음극 리튬금속전지는 제조 단계에서 별도의 리튬 음극 활물질을 사용하지 않고 충전할 때 양극에서 나온 리튬을 구리 집전체에 직접 석출하는 방식이다. 무게와 부피를 줄여 에너지 밀도를 높일 수 있지만 충·방전을 반복하면 리튬이 불균일하게 쌓이고 전극 부피가 변하면서 수명이 줄어드는 문제가 있다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 니트릴부타디엔 고무(NBR), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 리튬이 도입된 실리카(Li-SiO₂) 나노 입자를 결합한 전기방사 나노 섬유 중간층을 개발했다. NBR·PAN 섬유는 리튬 석출·용출 과정의 부피 변화를 흡수하고 PAN의 니트릴기는 리튬 이온의 흐름을 균일하게 조절한다. Li-SiO₂ 나노 입자는 리튬 이온 분포 조절과 구조 보강 역할을 한다. 하나의 얇은 중간층이 리튬 이온의 이동을 균일하게 조절하는 동시에 충·방전 과정에서 발생하는 기계적 응력을 완화하도록 설계한 것이 이번 연구의 핵심이다. 이를 통해 무음극 리튬금속전지의 불균일한 리튬 석출과 전극의 부피 변화를 함께 억제했다. 연구팀은 고용량 NCA 양극을 적용한 9층 적층형 양면 파우치 셀도 제작했다. 이 셀은 2.2Ah의 방전 용량을 나타냈으며 100회 충·방전 이후에도 높은 용량을 유지했다. 중량 에너지 밀도는 390 Wh/kg, 부피 에너지 밀도는 900 Wh/L를 기록했다.

이번 연구는 삼성SDI와 한국연구재단의 지원으로 진행됐고, 김동원 한양대 교수팀과 삼성SDI 차세대전지 연구팀 (이승우 팀장)이 공동 저자로 참여했다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 게재됐다.

논문: https://doi.org/10.1002/adfm.77255
기사: https://www.joongang.co.kr/article/25453180