한양대 ERICA·공주대, 리튬 금속 배터리 한계 극복 ‘공간 분리 전해질’ 개발

한양대학교 ERICA 배터리소재화학공학과 조국영 교수 연구팀이 공주대학교 신소재공학부 윤수근 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 리튬 금속 배터리의 고질적 난제였던 전해질 성능 한계를 돌파하는 혁신적인 설계 패러다임을 제시했다. 그러나 리튬 금속 음극은 에테르계 전해질에서 안정적인 반면 고전압에서 쉽게 파괴되고, 고전압 양극은 카보네이트계 전해질에서 원활히 작동하지만 음극에서 화재의 원인인 덴드라이트(뾰족한 결정)를 형성하는 등 서로 간의 요구 조건이 상충하여 상용화에 어려움을 겪어왔다.

왼쪽부터 교신저자 한양대 ERICA 조국영 교수, 공주대 윤수근 교수, 제1저자 한양대 ERICA 임은빈 석사과정생 한양대 학교 ERICA 배터리소재화학공학과 조국영 교수 연구팀이 공주대 학교 신소재공학부 윤수근 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 리튬 금속 배터리의 고질적 난제였던 전해질 성능 한계를 돌파하는 혁신적인 설계 패러다임을 제시했다.

이번 연구는 양극과 음극이 전해질에 서로 상반된 특성을 요구해 발생하는 이른바 ‘단일 전해질의 딜레마’를 물리적 분리 기술로 해결했다는 점에서 학계의 큰 주목을 받고 있다. 최근 전기차와 대용량 에너지 저장 장치 시장이 급성장함에 따라, 기존 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 월등히 높은 리튬 금속 배터리가 차세대 전지로 손꼽히고 있다.

그러나 리튬 금속 음극은 에테르계 전해질에서 안정적인 반면 고전압에서 쉽게 파괴되고, 고전압 양극은 카보네이트계 전해질에서 원활히 작동하지만 음극에서 화재의 원인인 덴드라이트를 형성하는 등 서로 간의 요구 조건이 상충하여 상용화에 어려움을 겪어왔다. 연구팀은 이러한 ‘트레이드오프’ 문제를 해결하기 위해 UV 경화 공정을 활용한 ‘공간 분리 전해질’ 개념을 도입했다.

이는 전해질을 전극 특성에 맞춰 공간적으로 분리하는 기술로, 리튬 금속 음극 표면에는 음극 친화적인 에테르계 층을 고정하고 나머지 공간은 고전압 구동에 유리한 카보네이트계 전해질로 채우는 방식이다. 이를 통해 전해질이 물리적으로 분리되어 있으면서도 각 위치에서 독립적으로 최적의 퍼포먼스를 내도록 설계하는 데 성공했다. RLE 시스템을 적용한 결과, 음극에서는 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제해 안전성을 확보했으며 양극에서는 고전압에 의한 전해질 부식 문제를 해결했다.

특히 고가의 고농도 전해질을 필요한 부위에만 국소적으로 적용함으로써, 기존 기술의 단점이었던 높은 비용과 공정의 복잡성을 동시에 극복하며 실용성을 극대화했다. 조국영 한양대 ERICA 교수는 “단일 전해질이 모든 전극을 만족시키는 올라운드 플레이어가 되기 어렵다면, 각 전극에 적합한 전해질을 맞춤형으로 분리 적용하는 것이 새로운 해법이 될 수 있다”며 “이번 연구가 리튬 금속 배터리의 안전성을 확보하고 고농도염 전해질의 상용화를 앞당기는 중요한 이정표가 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업과 산업통상자원부 및 한국산업기술기획평가원의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 재료과학 분야 세계적 권위지인 『Advanced Functional Materials』에 지난 3월 13일 게재됐다. 해당 논문 「Regionally Localized Electrolyte Engineering via UV Crosslinking for Stable Ether–Carbonate Lithium Metal Batteries」에는 한양대 ERICA 임은빈 석사과정생이 제1저자로, 한양대 ERICA 조국영 교수와 공주대 윤수근 교수가 교신저자로 참여했다. 김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr

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공주대 한양대학교 Erica 카보네이트계 전해질 에테르계 전해질

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