▲ 공과대학 화공생명공학과 유승호 교수
고려대학교 공과대학 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 서울대, 코넬대와의 공동연구를 통해 리튬 금속의 균일한 성장을 위한 차세대 전해질을 개발했다. 유승호 교수팀은 가시광선과 X-ray를 이용한 실시간(operando) 이미징 분석 기법을 통해 차세대 전해질의 뛰어난 특성을 효과적으로 밝혀냈으며, 이를 통해 리튬 금속 전극의 상용화 가능성을 높였다.
리튬 금속 전극은 리튬 이온 전지에 사용되고 있는 흑연에 비해 10배 이상 높은 이론 용량(3,860 mAh/g)을 가지면서 낮은 전기화학적 전위(-3.040 V vs. SHE)를 가지고 있어 고성능 이차전지를 위한 이상적인 음극 물질로 여겨진다. 그러나 거듭된 충/방전 반응에 따라 일부 지점에서 리튬이 집중적으로 성장하여 수지상 구조가 나타난다는 문제점을 갖고 있다. 리튬의 수지상 성장은 전지 내부에 단락을 일으켜 전지의 폭발과 같은 안전 문제의 원인이 될 수 있으며, 극심한 부피 변화와 연계되어 비가역적인 성능 감소로 이어질 수 있다. 결국 리튬 금속 전극의 상용화를 위해서는 리튬의 수지상 성장을 억제하는 것이 핵심이다.
이번 연구에서는 기존 리튬 기반 이차전지에 널리 사용되던 카보네이트 계열 물질과 에테르 계열 물질을 적절한 비율로 혼합하는 방식으로 새로운 개념의 전해질을 제시했다. 해당 전해질은 기존 상용 전해질과 비교했을 때 훨씬 더 높은 이온 전도도와 리튬 이온 수율을 보여줬으며, 표면 분석을 통해 전해질과 리튬 금속 계면에 생성된 고체전해질계면(SEI layer)의 뛰어난 기계적, 화학적 특성을 규명했다. 또한 충/방전 실험을 통해 전지 성능 측면에서의 획기적인 개선을 확인했다.
▲ 차세대 전해질과 상용 전해질에서의 리튬 성장 경향 차이를 나타내는 모식도와 이에 대응되는 실시간 X-ray 분석을 통한 결과
유승호 교수 연구팀은 방사광 X-ray와 가시광선을 이용한 실시간(operando) 이미징 분석을 활용하여 전해질에 따라 달라지는 리튬 금속의 성장 경향을 직접 관찰했다. 또한 이를 다양한 전기화학적 분석과 결합하여 리튬 금속이 성장하는 메커니즘을 규명했으며, 특정 전해질 조건에서 집전체의 표면 거칠기와 무관하게 리튬이 성장하는 독특한 특성을 확인했다. 이를 통해 3차원 구조의 집전체의 넓은 표면적을 온전히 활용할 수 있는 가능성을 제시했다.
이번 연구는 전윤서 석박통합과정(제1저자, 서울대), 김국한 박사(공동 제1저자, 서울대), 성영은 교수(공동교신저자, 서울대), 헥터 아부르냐 교수(공동교신저자, 코넬대)와의 공동연구로 이뤄졌으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’ (IF=23.101)에 22년 6월 6일 게재됐다.
유승호 교수는 “이번 연구에서 제시된 차세대 전해질을 도입할 경우 리튬 금속 전극에서 고질적으로 나타나던 수지상 성장을 효과적으로 억제할 수 있으며, 뛰어난 전기화학 특성과 고체전해질계면 특성을 바탕으로 리튬 금속 전극의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.
■ 논문정보
*제목: Surface Roughness-Independent Homogeneous Lithium Plating in Synergetic Conditioned Electrolyte
