신원호 교수(전자재료공학과) 연구팀, 고에너지 리튬 메탈 배터리용 복합 고체전해질 기술 개발

- 화학공학 분야의 저명한 국제 학술지 Chemical Engineering Journa(IF: 13.4, JCR 상위 3.1%) 게재 -

모교 신원호 교수(전자재료공학과) 연구팀은 화학공학과 손희상 교수팀, 동의대학교 김성훈 교수팀, 홍익대학교 이동욱 교수팀과 공동연구를 통해, 리튬 메탈 배터리의 안전성과 속도 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 플렉시블 산화물-고분자 복합 고체 전해질 기술을 개발했다.

(좌측부터) 한주영 석사과정 학생(제1저자), 신원호 교수, 손희상 교수(이상 교신저자)

리튬 메탈 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 약 40% 높은 에너지 밀도를 자랑하며 차세대 배터리 기술로 각광 받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 불균일한 리튬 이온 분포로 수지상(dendrite)이 형성되며 배터리 단락과 화재의 위험을 초래하는 문제가 있었다.

신 교수팀은 리튬 이온의 빠른 이동도를 제공하는 복합 고체 전해질을 설계하여 리튬 이온 분포를 균일하게 조절함으로서 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제하는 기술을 개발했다. 본 연구팀은 독창적인 리튬 이온 전달 경로인 "고속도로-견인 효과(Highway-Traction Effect)"의 메커니즘을 갖는 유무기 복합전해질을 구현했으며 높은 리튬 전달 능력(0.78)과 리튬 이온 전도도(3.26×10-4S/cm)를 갖는 전해질을 개발했다.

복합화된 1차원 구조의 산화물계 전해질 LLZO(리튬·란타넘·지르코늄·산소)은 음이온을 고정하고 연속적인 리튬 이온 전달 경로를 형성하는 '고속도로 효과(Highway effect)'를 제공한다. 또한, 석시노나이트릴(succinonitrile) 첨가를 통해 리튬 이온 이동성을 높이는 '견인 효과(traction effect)'를 이끌어냈다. 개발된 복합 고체 전해질은 플렉시블하고 기계적 복원력이 뛰어난 특성을 나타낸다. 이를 통해 차세대 리튬 메탈 배터리의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 가능성을 열었다.

본 연구팀은 충방전시 LiF와 Li3N이 풍부한 SEI(solid electrolyte interphase) 층이 형성되어 높은 전류의 환경에서도 균일하고 빠른 리튬 이온 전달이 촉진되었으며, 1000시간 이상 안정적인 작동이 가능함을 확인했다.

또한, LFP(리튬인산철) 배터리에서 수지상(dendrite) 형성을 효과적으로 억제하면서 10C의 높은 전류밀도에서도 뛰어난 속도 성능과 용량 유지 특성을 통해 안정성을 입증했다. 이러한 연구 성과는 리튬 메탈 전고체 배터리의 안전성과 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 혁신적인 기술적 도약으로 평가되며, 차세대 에너지 저장 장치의 상용화 가능성을 크게 높일 것으로 기대된다.

이번 연구는 제1저자로 한주영 광운대학교 석사과정, 동의대 김성훈 교수가 참여하였으며, 한국연구재단 기초연구실 개척형 사업(RS-2023-00222124)의 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 ‘Electrospun 1D Al-LLZO incorporated PVDF-HFP composite electrolyte with fast Li path way derived from highway-traction effect for high performance lithium metal batteries’ 제목으로 화학공학 분야의 저명한 국제 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal (IF: 13.4, JCR 상위 3.1%)’에 2025년 1월 15일자로 게재되었다.

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)