‘Advanced Functional Materials’지의 Back cover
고려대학교 KU-KIST융합대학원 윤영수 교수 연구팀이 균일한 리튬 증착 메커니즘 규명을 통해 기존 리튬이차전지의 용량을 10배 이상 높인 성과를 거뒀다.
연구팀은 차세대 리튬금속전지의 음극용 소재로 주목받고 있는 2차원 신소재 맥신(MXene) 표면에서 리튬 금속 핵생성과 성장 메커니즘을 관찰했다.
이를 통해 고체상 전극-전해질 계면에서 균일한 리튬 증착 메커니즘을 규명했다.
을 통해 기존 리튬이온전지의 10배 이상 높은 용량을 확보하면서도 안정성 또한 확보했다.
웨어러블, 전기차, 지능형 로봇 등의 첨단 전자 기기는 고용량의 전지 등 전력원을 개발하고 확보하는 것이 필수적이다.
전력원으로 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 높은 에너지 효율과 우수한 물리화학적 안정성을 가질 뿐만 아니라 높은 에너지 밀도를 가지고 있다.
문제는 최신 전자기기들이 현재 시스템보다 훨씬 더 높은 에너지 및 전력을 필요로 한다는 점이다.
기존의 리튬이온전지는 흑연과 같은 무거운 재료를 포함하여 높은 전력을 확보하는 데에 한계가 있었다.
이를 극복하기 위해 흑연 등을 필요로 하지 않는 리튬 금속을 음극으로 활용함으로써 더 높은 에너지 밀도를 가진 차세대 리튬금속전지 개발에 나서고 있다.
리튬 금속 음극은 기존 리튬이온전지의 흑연 음극과 비교하여 10배 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.
해결을 위해 전극 표면의 리튬 기핵 사이트를 증가시키는 리튬-친화성(Lithiophilic) 기판 연구를 진행하고 있지만 리튬 금속 핵형성 및 성장 메커니즘에 대한 연구에 속도가 나지 않고 있다.
연구팀은 많은 수의 산소와 불소 이중 헤테로 원자를 가진 대면적 맥신(MXene) 기판을 사용해 리튬 금속 핵 형성 및 성장 거동에 대한 리튬-친화성(Lithiophilic) 기판의 효과를 조사했다.
고체-고체 계면(MXene-SEI 층)은 증착된 리튬 금속 핵의 표면 장력과 핵생성 과전압에 상당한 영향을 미쳐 맥신(MXene) 표면 전체에 걸쳐 균일하게 분산된 리튬 나노 입자를 형성한다. 리튬-친화성 맥신 (Lithiopilic MXene) 기판은 수많은 핵에서 여러 개의 동시 금속 성장을 통해 유효 전류 속도를 줄임으로써 운동 제어 금속 성장을 유도했다.
운동 제어 반응 과정에서 수많은 1차 리튬 나노 입자가 응집되어 더 큰 2차 입자를 형성하게 됐다.
그 결과, 밀집된 구조를 형성하여 입자별 미세 구조로 구성된 조밀한 금속 층이 생성됨을 통해 리튬-친화성 전극의 효과를 증명했다.
이 독특한 리튬 금속 증착 거동은 99.0% 이상의 높은 쿨롱효율과 1000회 이상의 매우 가역적인 수명특성을 보이는 것으로 확인됐다.
연구팀은 “고체상 전극-전해질 계면에서 균일한 리튬 증착 메커니즘 규명을 통해 기존 리튬이온전지의 10배 이상 높은 용량을 확보하면서도 안정성 또한 확보했다”고 밝혔다.
이번 연구는 ‘Advanced Functional Materials(IF: 16.836)’에 온라인 게재되고 ‘Back cover’로 선정됐다.
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