▲ 충북대 신소재공학과 이동주 교수 연구팀, 차세대 리튬 금속 배터리 분리막 개발

충북대학교(총장 고창섭)는 신소재공학과 이동주 교수 연구팀이 리튬 금속 배터리 상용화의 핵심 난제인 덴드라이트 문제를 해결할 새로운 기술을 개발했다고 지난 9월 30일(화) 밝혔다.

리튬 금속 배터리는 기존 리튬이온 배터리 대비 월등히 높은 에너지 밀도를 지닌 차세대 전지로 주목받고 있으나, 충·방전 과정에서 발생하는 리튬 덴드라이트로 인해 안전성과 수명이 저하되는 문제가 상용화를 가로막아 왔다. 특히 전극-전해질 계면에서의 이온 불균일 이동과 불안정한 계면 형성은 전지 단락과 화재 위험으로 이어질 수 있어 해결이 시급한 과제로 꼽혀왔다.

연구팀은 전이금속 탄화물 2차원 소재인 MXene을 도입한 PVDF-HFP 기반 기능성 분리막을 개발했다. 해당 분리막은 분리막은 리튬 이온의 균일한 이동을 유도하고 전지 내부에서 안정적인 계면을 형성함으로써, 균일한 리튬 증착을 통한 덴드라이트 성장 억제, 장수명, 고효율 특성을 동시에 구현하였다.

또한, 밀도범함수이론 계산 및 분자동역학 시뮬레이션을 통해 MXene의 극성 표면기가 전해질 음이온 환원을 촉진하여 안정적 고체 전해질 계면이 형성되는 원리를 규명함으로써 향후 배터리 소재 설계와 차세대 고에너지 밀도 리튬 금속 배터리 원천기술 확보와 산업적 응용 가능성을 확대하는 데 중요한 토대를 마련했다.

이번 연구 결과는 △과학기술정보통신부의 지역혁신선도연구센터와 △학연협력플랫폼구축시범사업, △교육부의 이공분야 학술연구지원사업(인프라 고도화)의 지원을 받았으며, 에너지 분야 세계적 권위 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 26.0)에 ‘Regulating Solvation Dynamics and Lithium Plating via Ti3C2Tx-Engineered PVDF-HFP Separators’란 제목으로 9월 10일 온라인으로 게재됐다.

연구에는 이동주 교수와 KAIST 김지한 교수가 공동 교신저자로 참여했으며 한국원자력연구원 김형섭 박사 연구팀이 공동으로 연구를 수행했다.

이동주 교수는 “분리막의 구조적·기능적 혁신을 통해 리튬 금속 배터리의 핵심 난제를 극복할 수 있음을 확인한 것”이라며, “차세대 배터리 기술 발전에 실질적인 돌파구가 될 것으로 기대한다”고 말했다.

곽재근 기자  news@jbfocus.co.kr

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