차세대 고성능 리튬 금속 이차전지 양극용 전극 후막화 기술 개발
윤영수 교수 연구팀, 국제 학술지 ‘Advanced fiber materials’ 게재

▲ (왼쪽부터) 윤영수 교수(교신저자, KU-KIST융합대학원), 강동혁(제1저자, 석박통합과정), 

박민혁(공동 제1저자, 석박통합과정), 이정훈(공동 제1저자, 연구교수)

융합에너지공학과 윤영수 교수팀은 리튬 금속 이차전지의 에너지 밀도를 증가시키기 위한 후막화 기술을 개발했다.

이번 연구 결과는 국제 저널인 ‘Advanced fiber materials’(IF:16.1, 상위 1.7%)에 2023년 12월 12일 온라인 게재됐다.
* 논문명 High-Performance Thick Cathode Based on Polyhydroxyalkanoate Binder for Li Metal Batteries.

리튬 이차전지 단일 셀의 전극 밀도를 높이는 후막화 기술은 리튬 이차전지에 사용되는 기존 양극 활물질을 변경 없이 에너지 한계를 극복할 수 있는 기술이다. 그러나 일반적으로 전극 제조에 사용되고 있는 슬러리 방식은 두꺼운 전극을 제조하는 과정에서 균열(crack)과 플레이킹(flake)이 발생하는 문제점이 있다. 또한 전하 이동 저항과 국부적 전류 과부하가 많이 증가하여 율 특성과 사이클링 안정성이 저하되는 심각한 기술적 한계를 가지고 있다.

본 연구에서는 전도성 나노섬유 네트워크(CNN)와 나노브리징 비정질 폴리하이드록시알카노에이트(aPHA) 바인더를 기반으로 이중 네트워크 조합 전략을 사용하여 고성능 후막 전극을 제조했다. CNN과 aPHA 듀얼 네트워크는 대량 생산이 가능한 슬러리 방식으로 후막 양극(두께 250μm 이상, 양극 활물질 90wt.% 이상)의 제조를 용이함과 동시에 높은 율 특성과 우수한 사이클링 안정성을 나타냈다.

또한 두꺼운 양극과 얇은 Li 금속 양극 쌍(Li//t-NCM)은 최적의 에너지 성능을 나타내어 ~25.3 mW cm−2의 높은 에너지 밀도를 갖는 고성능 리튬 금속 배터리를 제공, ~1,720W L−1의 출력과 6mA h cm−2에서 ~470W h kg−1의 뛰어난 비에너지를 제공한다.

<그림 1>

▲ 그림 설명 : 이중 네트워크 조합 전략을 이용한 후막 전극의 모식도 및 도전재와 바인더의 기능적 역할을 비교하기 위한 다이어그램