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Research

원격으로 전해액을 움직여 차세대 배터리 상용화의 걸림돌 해결하다!

  • 조회. 187
  • 등록일. 2022.11.22
  • 작성자. 대외협력팀

- DGIST 이홍경 교수 공동연구팀, 자성나노입자를 통한 대류 유도형 신개념 전해질 개발해 차세대 리튬금속전지의 수명을 획기적으로 향상시켜

- 우수성을 인정받아 저명한 국제 학술지‘Advanced Functional Materials’표지논문으로 선정

 

     DGIST (총장 국양) 에너지공학과 이홍경, 이용민, 이호춘 교수 공동연구팀이 차세대 배터리의 안정성 및 수명 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 신개념 시스템을 개발했다. 액상 전해질을 동적상태로 만들어 차세대 리튬금속전지의 난제인 덴드라이트 성장 문제를 해결하고 차세대 전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

     현재 전기차 등 대부분의 상용화된 배터리는 음극으로 흑연계 전극을 사용한다. 흑연계 음극의 경우, 배터리 내부에서 많은 무게와 부피를 차지하기 때문에 에너지 밀도 측면에서 한계를 가지고 있다. 이로 인해 장시간 배터리 구동에 한계를 가지기 때문에, 가볍고 적은 부피를 가지는 음극재에 대한 요구가 증가하고 있다.

     리튬금속은 이러한 문제를 해결할 수 있는 차세대 음극재로 각광받고 있다. 그러나, 리튬금속음극을 상용화하기에는 리튬 배터리의 충전 과정에서 음극 표면에 쌓이는 나뭇가지 모양의 결정체인 덴드라이트(Dendrite)’가 생성되는 문제가 걸림돌로 작용한다. 이는 전해질 내 이온 전달 현상에 매우 의존하는 경향이 있어, 이온의 수송 속도가 빠를수록, 균질성이 향상될수록 덴드라이트 억제에 유리하다.

     덴드라이트를 억제하기 위한 노력은 꾸준히 있었으나, 더 빠르고 균일한 이온 수송을 구현하기 위해서는 고전적인 이온 수송 방식 자체에서의 탈피가 필요했다.

     이에 연구팀은 전지 내에 정적인 전해액을 동적상태로 만들어 줄 수 있도록 외부 자기장에 감응하는 나노 크기의 교반 막대(Nano-spinbar, 이하 NSB)를 제작하고 이를 전해액에 첨가하여 미세 대류를 발생시킬 수 있도록 했다. 실제로 외부에 회전 자기장을 인가하면 원격으로 동력을 전달해 전해액 전반에 걸쳐 분포된 NSB를 회전시킬 수 있다. 이로 인해 빠른 이온 수송을 도모했고 이온 확산을 기존 대비 약 32%가량 줄일 수 있어 균일한 이온 수송이 가능했다.

     자성나노입자(NSB)와 외부 자기장 인가를 통해 구현된 동적 이온 수송은 리튬 이온의 빠르고 균일한 수송을 도모할 수 있어 덴드라이트 형성 및 성장을 억제시키는데 효과적임이 높은 충전 속도에서도 검증되었으며, 다양한 전해액에 첨가했을 때도 동일한 효과를 구현할 수 있었다. 본 연구팀에서 개발한 전해액을 가지고 리튬금속전지 제작 후 외부에 회전자기장을 인가하면서 구동시키게 되면 기존 대비 수명 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

     DGIST 에너지공학과 이홍경 교수는 자성나노입자를 통해 기존에 시도되지 않았던 동적인 전해액을 구현하고 전해액 연구 패러다임을 바꿀 수 있는 신개념 전해액 시스템이다라며, “액상 전해질을 사용하는 다양한 전기화학 시스템에 즉시 활용될 수 있을 것이라고 덧붙였다.

     한편, 본 연구는 재료공학 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Functional Materials‘227월호에 발표되었으며, 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정되었다. 해당 연구는 한국연구재단의 우수신진연구, 기초연구실 및 나노 및 소재 기술개발사업과 함께 산업통상자원부 산업기술혁신사업, 포스코청암재단 지원을 받아 수행되었다.

 

 

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연구결과개요

Dynamic Ionic Transport Actuated by Nanospinbar­Dispersed

Colloidal Electrolytes Toward Dendrite­Free Electrodeposition

Minhong Lim, Suhwan Kim, Junsik Kang, Dahee Jin, Hyeongguk An, Hyuntae Lee, Joonam Park, Mingyu Lee, Jiyeon Seo, Hochun Lee,* Yong Min Lee,* and Hongkyung Lee*

(Advanced Functional Materials, Published on 05h July, 2022)

 

리튬 덴드라이트를 억제하는 일은 리튬 금속 전지 (LMB)의 안전하고 안정적인 구동을 위해 필수적이다. 리튬 전착시 덴드라이트를 억제하기 위해서는 전해질을 통한 균질하고 빠른 Li+ 수송이 필요하다. 그러나 확산 및 전기 이주 현상에 국한되어 이온을 수송하는 정적인 액체 전해질은 리튬 음극 표면 부근 이온 농도 분포의 심각한 불균형과 수송 속도 향상의 한계가 있어 덴드라이트 억제가 제한적이다. 본 연구에서는 자성을 갖는 나노 교반 막대 (Nano-spinbar, NSB)가 고르게 분산된 콜로이드형 전해질을 통해 덴드라이트의 형성 및 성장을 억제하기 위한 대류가 수반된 동적 이온 전달 시스템을 제안하였다. 자성을 갖는 산화철 (Fe3O4) 나노 분말 (20 nm)과 산화규소 (SiO2)를 코팅하여 고종횡비를 갖는 NSB가 합성하였다. 이때, 외부 자기장을 조작하면 응집없이 개별 NSB의 회전을 원격으로 제어하여 전지 내부에 이류를 발생 시킬 수 있다. 전해질 전반에 걸쳐 분포되어 있는 NSBLi+ 공급을 촉진하고, 확산층 두께를 줄였으며, 리튬금속음극 표면에서의 Li+의 수송을 균질화했다. 뿐만 아니라 원격 NSB 교반을 통한 Li+ 수송 방식의 극적인 변화는 즉각적이고 균일한 리튬 핵 생성을 유도하고, 전해질 조성과 관계없이 덴드라이트의 성장을 억제했다. 또한, 호환성이 높은 국부 고농도 전해질을 활용하여 Li||NMC622에서 70% 용량에서 600회 이상의 안정적인 사이클링을 시연하였으며, 이는 NSB가 없는 전지(355회 사이클)를 능가했다. 나아가, 본 연구에서 제시된 형태학적 및 전기화학적 특징의 이점을 활용하여 NSB는 균일한 전착이 필요한 다양한 전기화학 시스템의 응용 분야에 유용할 수 있다.

 

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그림설명

[그림 1] 대류 유도가 가능한 나노 교반 막대가 도입된 리튬금속전지 구조

(그림설명) 
1. 나노 교반 막대가 도입된 리튬금속전지를 고안하였다.
2. 기존 리튬금속전지의 경우 Li+의 수송이 느리고 불균일함에 따라서 리튬금속음극 표면에 덴드라이트가 형성된다.
3. 나노 교반 막대가 존재하는 경우, 외부 자기장에 감응하여 교반 막대가 회전함에 따라서 대류가 유도되어, 빠르고 균일한 Li+의 수송이 가능해짐으로써 매우 밀도 높은 리튬의 전착이 가능하다.

 

[그림 2] 저널 표지 선정

 

 

 

 

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