한양대 화학공학과 염봉준 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 손정곤 책임연구원팀이 리튬금속전지용 초다공성 분리막을 개발했다고 한양대가 27일 밝혔다. 해당 기술은 전지의 안정적인 고속 충방전을 가능하게 하고 긴 수명을 확보할 수 있어 향후 2차전지에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

리튬금속전지의 용량은 현재 상용화된 리튬이온전지 음전극의 10배가 넘어 차세대 2차전지로 주목 받고 있다. 하지만 충방전 과정에서 리튬 표면에 돌기가 형성되어 전지 성능을 저하시킨다는 단점이 있다. 또한 수명 단축 및 단락에 따른 안전성 문제로 인해 상용화는 아직 요원한 상황이다.

공동 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위하여 매우 높은 공극률을 갖는 분리막을 개발했다. 분리막은 음극과 양극의 직접적인 접촉을 차단하면서 리튬이온만 통과시키는 역할을 한다. 공동 연구진이 개발한 초다공성 아라미드 분리막은 2단계 용매 교환 공정으로 아라미드 나노섬유의 자기조립으로 인해 제조된다. 이 분리막은 97% 이상의 높은 공극률을 지니며 음이온에 대한 선택적 친화성으로 인해 높은 리튬이온 운반율을 가진다.

개발된 분리막은 안정적인 전기화학적 특성, 높은 열적 안정성, 높은 이온 전도도를 지님으로써 리튬 표면의 돌기 형성을 억제하여 전지의 수명과 안전성을 높이는 결과를 나타냈다. 특히, 고속 충방전 조건(10C 이상)에서도 1000회까지 안정한 충방전 거동을 보였으며 가동 후에도 초기 용량의 86%를 유지하는 획기적인 성능을 보였다.

염 교수는 “본 기술의 대면적 제조 기술이 확보될 수 있다면 차세대 분리막으로 즉각 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한국연구재단의 중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업과 한국과학기술연구원의 KIST-한양대 공동연구실사업, 기관고유사업을 받아 수행된 이번 연구는 정아름 한양대 화학공학과 박사과정 학생이 제1저자로 참여하였고, 재료분야 저명 국제학술지인 「Small」의 표지논문으로 12월 28일 게재됐다.

염봉준 화학공학과 교수                    정아름 한양대 박사과정

■ 논문명 : Phase Separation–Controlled Assembly of Hierarchically Porous Aramid Nanofiber Films for High-speed Lithium-Metal Batteries

■ 저자정보 : 정아름 박사과정 (제1저자, 한양대학교), Michael J. Lee (조지아공과대학교), 이승우 교수 (조지아공과대학교), 조진한 교수 (고려대학교), 손정곤 책임연구원 (교신저자, 한국과학기술연구원), 염봉준 교수 (교신저자, 한양대학교)

초다공성 분리막으로 인한 리튬 돌기 억제에 대한 모식도

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