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한양대학교 화학공학과 김동원 교수 연구팀 (심희태 박사과정, 오명근 박사과정 외)과 SK on 연구진 (조연선, 이해곤, 박성진 PM)이 공동으로 개발한 ‘차세대 무음극 전고체 전지의 덴드라이트 문제를 해결하는 고분자–은 복합 계면 기술’ 연구가 세계적 권위지 Advanced Functional Material에 게재되었다.  

이번 성과는 차세대 무음극 전고체 전지의 상용화에 중요한 전기를 마련했다는 평가를 받고 있다. 이번 연구는 황화물계 무음극(anodeless) 전고체 전지에서 가장 큰 난제로 꼽혀온 리튬 덴드라이트 형성과 계면 불안정성 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 계면 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 무음극 전고체 전지는 리튬 금속 음극을 제거함으로써 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 차세대 전지로 평가받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 리튬이 음극 집전체 위에 불균일하게 석출되며 덴드라이트가 성장하고, 이로 인한 내부 단락과 수명 저하가 상용화의 가장 큰 장애 요인으로 지적돼 왔다. 

김동원 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 고분자를 이용한 은(Ag) 나노 입자 코팅 기술을 개발했다. 구체적으로, poly(ethylene-co-maleic anhydride)를 활용해 구리 집전체 표면에 약 120 nm 두께의 초박막 은-고분자 복합층을 형성함으로써, 리튬 석출을 균일하게 유도하고 계면 반응을 효과적으로 억제했다. 제안된 구조를 적용한 무음극 전고체 셀은 3.0 mAh cm⁻²의 실용적 면적 용량 조건에서 300사이클 이후에도 초기 용량의 약 81%를 유지하며 안정적으로 작동했다. 이는 기존 Ag 코팅이나 무처리 구리 집전체 대비 월등히 향상된 수치로, 덴드라이트 없는 리튬 석출과 우수한 계면 안정성이 동시에 확보되었음을 의미한다. 특히 본 연구에서는 operando pressiometry를 통해 충·방전 중 내부 응력 변화를 직접 분석함으로써, 코팅층이 리튬 석출·제거 과정에서 발생하는 기계적 스트레스를 효과적으로 완충한다는 점을 정량적으로 규명했다. 

이번 성과는 SK on 차세대전지 연구팀과 한양대학교 간의 긴밀한 산학 협력을 통해 도출된 결과로, 기초 소재 설계부터 실제 전고체 전지 구동 조건에서의 성능 검증까지 폭넓은 연구가 수행되었다. 연구진은 본 기술이 공정 확장성이 높고 기존 전극·집전체 제조 공정과의 호환성이 뛰어나다는 점에서, 차세대 전고체 전지의 실질적인 상용화 가능성을 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대하고 있다.