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-차세대 리튬금속전지의 음극용 소재 맥신(MXene) 활용
고려대학교 KU-KIST융합대학원 윤영수 교수 연구팀이 리튬이차전지의 용량과 안정성을 모두 확보하는 연구 결과를 내놓았다.
연구팀은 차세대 리튬금속전지의 음극용 소재로 주목받고 있는 2차원 신소재 맥신(MXene) 표면에서 리튬 금속 핵생성과 성장 메커니즘을 관찰했다. 고체상 전극-전해질 계면에서 균일한 리튬 증착 메커니즘 규명을 통해 기존 리튬이온전지의 10배 이상 높은 용량을 확보하면서도 안정성 또한 확보했다.
웨어러블, 전기차, 지능형 로봇 등의 첨단 전자 기기는 우리의 일상 생활에 깊숙이 들어와 있다. 향후 사물인터넷과 빅데이터 등을 통해 인공지능과 연결되어 더욱 활용도가 높아질 전망이다. 이러한 첨단 시스템을 구축하는 과정에서 고용량의 전지 등 전력원을 개발하고 확보하는 것이 필수적이다.
현재 전력원으로 널리 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 높은 에너지 효율과 우수한 물리화학적 안정성을 가질 뿐만 아니라 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 그러나 점점 활용도가 높아지는 최신 전자기기들은 현재 시스템보다 훨씬 더 높은 에너지 및 전력을 필요로 한다. 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 리튬금속전지가 주목받고 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. 이를 해결하기 위해 전극 표면의 리튬 기핵 사이트를 증가시키는 리튬-친화성(Lithiophilic) 기판 연구가 활발히 진행되고 있지만, 기판에서의 리튬 금속 핵형성 및 성장 메커니즘에 대한 연구는 더딘 상황이다.
연구팀은 많은 수의 산소와 불소 이중 헤테로 원자를 가진 대면적 맥신(MXene) 기판을 사용하여 리튬 금속 핵 형성 및 성장 거동에 대한 리튬-친화성(Lithiophilic) 기판의 효과를 조사하였다. 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. 또한 리튬-친화성 맥신 (Lithiopilic MXene) 기판은 수많은 핵에서 여러 개의 동시 금속 성장을 통해 유효 전류 속도를 줄임으로써 운동 제어 금속 성장을 유도하였다. 운동 제어 반응 과정에서 수많은 1차 리튬 나노 입자가 응집되어 더 큰 2차 입자를 형성할 수 있었다. 그 결과, 밀집된 구조를 형성하여 입자별 미세 구조로 구성된 조밀한 금속 층이 생성됨을 통해 리튬-친화성 전극의 효과를 증명하였다. 이 독특한 리튬 금속 증착 거동은 99.0% 이상의 높은 쿨롱효율과 1000회 이상의 매우 가역적인 수명특성을 보이는 것을 확인하였다.
이번 연구는 KU-KIST융합대학원의 하손 석/박사 통합과정 학생이 윤영수 교수의 지도하에 실험을 진행하였으며, 한국과학기술연구원의 김선준 박사 및 구종민 교수 연구팀과 강원대학교 임형규 교수의 도움을 받아 진행되었다.
하손 학생은 최근 탄소 기반 리튬금속 음극과 유-무기 하이브리드 계면 막 연구 내용을 각각 Small 및 Energy Storage Materials 저널에 출판 한 바 있으며, 이번 연구는 Advanced Functional Materials (IF: 16.836)에 게재되었다. 하손 학생은 리튬 금속 전지에 국한되어 있지 않고 차세대 알루미늄 금속 전지를 주제로도 활발한 연구활동을 이어가고 있다.
이번 연구는 지난 5월 18일 “Lithiophilic MXene-Guided Lithium Metal Nucleation and Growth Behavior”의 제목으로 온라인 게재되었으며, ‘Back cover’로 선정되었다.
