서울대 강지형 교수팀,리튬 금속 고성능 전해질 소재 설계 기술 개발
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작성일 2025-03-15 12:15 조회 579회 댓글 0건
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대칭성 결정 주입 신개념 전해질로 리튬 금속 음극 안정화 기술의 혁신을 이루다
전기자동차와 드론 시장의 급성장에 따라 이들의 운행 시간을 늘리려는 수요가 높아지고 있으며, 이를 위해 고에너지 밀도를 가진 이차전지의 필요성이 커지고 있다. 기존의 리튬 이온 전지는 낮은 비용량의 (372 mAh/g) 흑연 음극을 사용해 충분한 에너지를 공급하지 못했다. 리튬 금속을 음극으로 사용할 경우, 흑연 음극에 비해 10배 이상의 높은 용량(3,860 mAh/g)과 낮은 표준 산화환원 전위(-3.04 V vs. SHE)가 결합돼 고에너지 밀도의 이차전지를 개발할 수 있다.
그러나, 리튬 금속은 불균일한 리튬 증착으로 인해 전해질이나 상대 전극 (양극)을 공격해 화재를 일으킬 수 있는 침상(dendrite) 리튬이 생성되므로, 이들을 효과적으로 제어하는 새로운 종류의 전해질이 필요하다.
서울대 화학부(제1저자 장진하 박사 및 강지형 교수 외), UCLA(제1저자 총젠 왕 및 유장 리 교수 외) 및 LG 에너지솔루션 (LG Energy Solution-KAIST Frontier Research Laboratory) 연구진들의 공동연구를 통해 이온성 플라스틱 결정이 주입된 신개념 전해질을 개발할 수 있었다.
해당 플라스틱 결정은 대칭성으로 인해 높은 양이온-음이온 이온쌍 결합을 가지는 특징을 갖고 있으며, 이를 전해질 시스템에 적용해, 용매화된 리튬의 과도한 음이온 클러스터화(anion clustering)가 억제된 새로운 종류의 소형 음이온-리튬 용매화(miniature anion-Li+ solvation)를 유도했다.
새롭게 확인된 리튬 용매화는 리튬 금속 음극에 음이온 환경을 조성해, 이들을 토대로 고 안정성의 보호층을 음극 위에 형성해, 리튬 금속 전지의 수명을 기존 기술 대비 20배 이상으로 향상시킬 수 있었다. 또한, 해당 용매화는 기존 전해질 대비 3배 이상의 높은 리튬 이온 전도도와 낮은 탈용매화 에너지를 가짐으로 인해, 고용량 (' 3.6 mAh/cm2)의 리튬 금속 전지를 30분 이내로 완충하는 고속 충전 특성도 확보할 수 있었다. 마지막으로 이온성 플라스틱 결정의 비발화성 특성으로 인해, 못 침투 실험에서도 리튬 금속 전지의 화재 및 폭발이 일어나지 않는 고 안전성의 특성도 보일 수 있었다.
이번 연구는 대칭성 결정 주입 신개념 전해질로 리튬 금속 음극의 안정성을 크게 높인 점과, 이전까지 개발된 바 없는 고 안정성, 고 안전성, 고속 충전 기능이 있는 실용적인 리튬 금속 전지를 성공적으로 개발했으며, 본 성과는 LG Energy Solution와의 협업으로 리튬 금속 전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
그러나, 리튬 금속은 불균일한 리튬 증착으로 인해 전해질이나 상대 전극 (양극)을 공격해 화재를 일으킬 수 있는 침상(dendrite) 리튬이 생성되므로, 이들을 효과적으로 제어하는 새로운 종류의 전해질이 필요하다.
서울대 화학부(제1저자 장진하 박사 및 강지형 교수 외), UCLA(제1저자 총젠 왕 및 유장 리 교수 외) 및 LG 에너지솔루션 (LG Energy Solution-KAIST Frontier Research Laboratory) 연구진들의 공동연구를 통해 이온성 플라스틱 결정이 주입된 신개념 전해질을 개발할 수 있었다.
해당 플라스틱 결정은 대칭성으로 인해 높은 양이온-음이온 이온쌍 결합을 가지는 특징을 갖고 있으며, 이를 전해질 시스템에 적용해, 용매화된 리튬의 과도한 음이온 클러스터화(anion clustering)가 억제된 새로운 종류의 소형 음이온-리튬 용매화(miniature anion-Li+ solvation)를 유도했다.
새롭게 확인된 리튬 용매화는 리튬 금속 음극에 음이온 환경을 조성해, 이들을 토대로 고 안정성의 보호층을 음극 위에 형성해, 리튬 금속 전지의 수명을 기존 기술 대비 20배 이상으로 향상시킬 수 있었다. 또한, 해당 용매화는 기존 전해질 대비 3배 이상의 높은 리튬 이온 전도도와 낮은 탈용매화 에너지를 가짐으로 인해, 고용량 (' 3.6 mAh/cm2)의 리튬 금속 전지를 30분 이내로 완충하는 고속 충전 특성도 확보할 수 있었다. 마지막으로 이온성 플라스틱 결정의 비발화성 특성으로 인해, 못 침투 실험에서도 리튬 금속 전지의 화재 및 폭발이 일어나지 않는 고 안전성의 특성도 보일 수 있었다.
이번 연구는 대칭성 결정 주입 신개념 전해질로 리튬 금속 음극의 안정성을 크게 높인 점과, 이전까지 개발된 바 없는 고 안정성, 고 안전성, 고속 충전 기능이 있는 실용적인 리튬 금속 전지를 성공적으로 개발했으며, 본 성과는 LG Energy Solution와의 협업으로 리튬 금속 전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
<출처: 베리타스알파 김하연 기자>
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