신소재공학과

차세대 무음극 리튬 금속 전지 안정성 향상 전략 제시

액체금속 나노입자의 자가치유 효과 활용

공과대학 신소재공학과 박상백 교수 연구팀이 액체금속의 자가치유 효과를 이용해 무음극 리튬 금속 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다.

이번 연구 결과는 ‘Advanced Functional Materials’(IF:18.5, JCR 상위 5% 이내) 온라인판에 7월 10일자로 게재됐다.

※ 논문 제목: Harnessing liquid metals with in-situ polymerized electrolyte for anode-free lithium metal batteries

이번 연구는 Minh Hai Nguyen이 제1저자, 박상백 교수가 교신저자로, 김도훈(충남대), 김병국(한국과학기술연구원) 박사가 공동으로 참여했다.

박상백 교수 연구팀은 Ga 기반 액체금속이 리튬과 반응할 때 액체에서 고체로 변하고, 리튬이 빠져나가면서 다시 액체로 돌아오는 액체-고체-액체 상전이 현상이 나타난다는 점에 주목했다. 

이를 통해 무음극 전지의 충/방전 시 리튬 금속이 증착/박리되며 부피가 팽창/수축함에 따라 형성되는 크랙을 액체금속으로 회복하는 ‘자가치유’ 전략을 제시했다. 

특히, 액체금속 나노입자를 셀 조립 도중 서서히 고분자화되는 액체 전해질을 활용해 감싸줌으로써, 액체금속의 응집현상을 억제하고, 자가치유 현상을 효과적으로 활용할 수 있음을 발견했다. 

이에 연구팀은 액체금속 나노입자와 실시간 고분자화 전해질의 시너지 효과를 통해 무음극 리튬 금속 전지의 충/방전 효율 및 안정성이 증가한다는 점과 자가치유 메커니즘을 통해 기존의 귀금속 촉매를 적용한 무음극 전지나 리튬 금속 전지보다도 전지의 수명을 더 연장시킬 수 있음을 증명했다.

박상백 교수 연구팀은 무음극 전지와 전고체전지의 실용화를 위해 지속적으로 연구를 수행하고 있으며, 최근에도 관련 연구 결과들을 ‘Chemical Engineering Journal’, ‘Advanced Science’, ‘International Journal of Energy Research’ 등에 발표한 바 있다.

박상백 교수는 “이번 연구 성과는 다양한 상전이 현상의 조합을 통해 리튬 이차 전지 성능 개선이 가능함을 제시함으로써, 차세대 이차전지의 안정성을 획기적으로 향상시키는 돌파구를 마련하는 데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업인 ‘사이클릭 고체/액체 상전이 현상을 이용한 자가치유형 전고체전지 개발’ 사업과 지역혁신 선도연구센터(RLRC)사업인 ‘기업수요 대응 차세대 이차전지 소재 선도연구센터’ 사업의 지원을 받아 수행됐다.

□ 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202407179