고려대 화공생명공학과 조진한 교수 연구팀은 복잡한 나노입자 대신 간단한 은 이온 공정만으로 리튬 금속 배터리의 수명과 안정성을 높이는 초박막 코팅 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
뉴시스 보도에 따르면, 이번 연구 성과는 에너지 저장 분야의 세계적인 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 온라인에 지난달 13일 게재됐으며, 표지 논문으로도 선정됐다.
리튬 금속은 에너지를 많이 저장할 수 있으며 전압 손실이 적은 차세대 고에너지 배터리의 핵심 소재다.
그러나 충·방전 과정에서 덴드라이트(리튬이 나뭇가지 모양으로 자라나는 현상)가 자라면 내부 단락이나 폭발 위험이 발생하고, 배터리의 수명과 효율이 급격히 떨어진다는 한계가 있다.
이에 연구팀은 은 이온과 트리티오시아누르산(trithiocyanuric acid, TCA)을 번갈아 쌓는 배위결합 기반 층상자기조립(coordination bonding layer-by-layer, CB-LbL) 공정을 활용했다.
이 과정을 통해 니켈로 도금된 섬유형 전극 지지체 위에 40 나노미터(nm) 이하 두께의 초박막 금속-유기 골격체(MOF)를 균일하게 형성했다.
본 공정은 용액만을 이용한 상온 상압 방식으로, 별도의 나노입자 합성이나 고온 열처리 과정이 필요하지 않다.
전지 작동 과정에서 MOF 내부의 은 이온은 은 나노입자로 변하며 리튬이 고르게 쌓이도록 돕는다. 동시에 TCA 성분은 안정적인 보호막을 형성해 전극 손상을 막는다.
이번에 개발된 전극을 적용한 리튬 금속 배터리는 2000시간 이상 안정적으로 구동됐으며, 일반 양극을 사용한 전지에서도 1300회 이상 충·방전 후 96% 이상의 용량을 유지했다.
한편 본 연구는 한국연구재단의 중견 도약과제 및 미래유망융합기술파이오니어 과제 지원을 받아 수행됐다.
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