신소재공학과 윤영수 교수 연구팀, 차세대 리튬 금속 배터리 안정성 높이는 집전체 설계 전략 제시

차세대 고에너지밀도 배터리로 주목받고 있는 리튬 금속 배터리의 안정성 문제를 해결하기 위한 집전체 설계 방향이 제시됐다. 신소재공학과 윤영수 교수 연구팀은 리튬 금속 및 무음극 리튬 금속 배터리에 사용되는 구리 기반 집전체의 설계 전략을 정리한 연구 결과를 발표했다.

이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal(IF 13.2, JCR 상위 3.6%)’에 지난 3일 게재됐다. 논문 제목은 ‘Optimization of Cu-based current collectors for Li-metal and anode-free Li-metal batteries: Can we achieve both stability and practicality?’로 신소재공학과 박사과정 김수형학생과 석사과정 이지현학생이 공동 제1저자로 참여했으며 박사과정 강하은 학생이 제2저자로 참여했다. 윤영수 교수는 교신저자로 연구를 총괄했다.

이번 논문은 리튬 금속 배터리(Li-metal battery)와 무음극(anode-free) 리튬 금속 배터리에서 사용되는 구리(Cu) 기반 집전체(current collector)의 설계와 성능을 체계적으로 정리한 리뷰 논문이다.

리튬 금속 배터리는 높은 이론 용량과 낮은 전기화학적 전위라는 장점이 있어 차세대 에너지 저장 시스템으로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 리튬 덴드라이트(나뭇가지 모양의 리튬 결정)가 형성되거나 리튬이 고르게 쌓이지 않는 문제가 발생해 안정성과 수명 측면에서 한계가 있었다.

연구팀은 기존 연구들을 종합적으로 분석해 구리 집전체의 표면 특성, 구조 설계, 계면 반응 등이 리튬이 쌓이는 방식과 배터리 안정성에 어떤 영향을 미치는지 정리했다. 이를 바탕으로 리튬 친화성(lithiophilicity) 향상, 균일한 리튬 이온 분포 형성, 계면 반응 제어 등 집전체 설계 전략을 체계적으로 제시했다.

또한 배터리의 안정성과 실제 배터리 시스템 적용 가능성을 함께 고려한 집전체 설계 방향을 제안함으로써 차세대 고에너지밀도 리튬 금속 배터리의 실용화를 위한 연구 방향을 제시했다.