‘차세대 무음극 전고체 전지 음극 집전체 소재’ 개발
리튬 친화성 금속 코팅층 적용을 통한 계면 안정성 및 장기 구동 확보  

고성능 무음극 전고체 전지 음극 집전체 소재 개발
유승호 교수팀 연구 결과, 국제 학술지 ‘Energy Storage Materials’ 게재

▲ (왼쪽에서) 유승호 교수(교신저자, 화공생명공학과), 최지원 박사(공동 교신저자, KIST 전자재료연구센터), 

이지현 석사과정(제1저자, 화공생명공학과), 오상환 박사과정(제1저자, 화공생명공학과), 

임해나 박사(제1저자, KIST), 이홍주 석사(제1저자, 화공생명공학과)

공과대학 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀과 한국과학기술연구원 최지원 박사 연구팀은 음극 집전체 표면에 리튬 친화성 금속 코팅층을 적용해, 차세대 무음극 전고체 전지의 계면 안정성을 높여 장기 구동을 확보 및 무음극 전고체 전지 시스템의 연구 방향성을 제시했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘Energy Storage Materials’(IF=20.4)에 4월 8일 온라인 게재됐다.
- 논문명 : Interfacial stabilization strategy via In-doped Ag metal coating enables a high cycle life of anode-free solid-state Li batteries
- 논문 URL : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829724002253

전고체 전지는 기존 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와는 다르게 고체 전해질을 사용하여 유기 액체 전해질을 사용했을 때의 발화 문제를 해결하여 안정성을 높이는 차세대 전지이다. 또한, 전지의 4대 요소 중 ‘음극’을 넣지 않은 무음극 전지는 에너지 밀도를 최상으로 높일 수 있는 전지이다. 발화성을 낮추고 에너지 밀도를 높인 무음극 전고체 전지는 최근 학계에서 주목하고 있는 차세대 전지 중 하나이다. 그러나 무음극 전고체 전지는 음극 집전체와 고체 전해질 사이의 계면 안정성이 떨어져 장기 구동이 어렵다는 단점이 존재한다. 이에 계면 안정성을 높여 장기 구동을 달성시키는 선행 연구들이 진행되고 있다.

무음극 전고체 전지 시스템에서 음극 집전체는 Stainless steel로 리튬과 친화도가 떨어져 충전 시 리튬 이온이 음극 집전체에 균일하게 전착 되지 않아 리튬 수지상을 야기하여 전지 단락을 일으킨다. 이에 리튬 이온의 균일한 전착을 위해서는 음극 집전체 표면을 리튬 친화성 물질로 코팅하여 고른 전착을 유도하는 방법이 선행 연구됐다. 특히, 리튬과 친화성이 큰 은(Ag)의 경우 리튬과 Alloy 반응을 일으키며 무음극 전고체 전지 집전체에 사용했을 때 큰 성능 향상을 달성한 것으로 알려져 있다.

연구팀은 리튬 친화성이 높은 은에 소량의 인듐(In)을 첨가하여 소량의 인듐이 은과의 시너지 효과를 일으킨 연구 결과를 발표했다. 기존의 은만을 코팅했을 때보다 인듐의 소량 첨가는 3배 이상의 성능 향상을 야기했다. 본 연구진은 Co-sputter 코팅 기법을 활용하여 은과 인듐을 음극 집전체 위에 코팅했으며 소량의 인듐을 첨가했을 때의 효과를 전기화학분석 및 계산화학 결과를 종합하여 밝혀냈다.

유승호 화공생명공학과 교수는 “무음극 전고체 전지는 에너지 밀도를 높일 수 있는 새로운 형태의 전지 시스템으로 학계에서 주목하고 있는 분야다.”라며 “이번 연구를 통해 무음극 전고체 전지의 낮은 수명을 개선할 수 있는 전략으로 리튬 친화성 금속을 코팅하는 것이 효과적인 방법임을 보여주었고, 무음극 전고체 전지의 계면 및 성능 향상의 밑거름이 될 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

본 연구 성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

<그림 1>

▲ 그림 설명 : 음극 집전체 표면에 리튬 친화성 금속 코팅을 진행했을 때 나타나는 전지 수명향상을 표현한 그래프