고려대 윤영수 교수팀, 전극에 ‘인공 피부’ 입힌 고성능 리튬-황 전지 구현

3차원 다공성 맥신 호스트에 100nm 고분자 박막 코팅… 쿨롱 효율 99.6%, 1,000회 이상 충·방전에도 성능 유지

고려대학교(총장 김동원) KU-KIST융합대학원 윤영수 교수 연구팀이 전극 표면에 얇은 ‘인공 피부’를 입힌 고성능 리튬-황 전지를 구현했다고 밝혔다.

웨어러블 기기와 드론, 로봇, 도심항공교통(UAM) 등 차세대 모빌리티와 지능형 전자기기가 빠르게 확산하면서 고성능·대용량 리튬이온전지의 필요성이 커지고 있다. 전지 음극 소재로 기존 흑연 대신 리튬 금속을 쓰면 이론 용량이 10배 늘어나지만, 충·방전 시 표면에 뾰족한 가시(덴드라이트)가 자라나 단락을 일으키기 쉽고 수명이 짧다는 문제가 있었다. 3차원 구조로 전극을 만들어 덴드라이트 성장을 억제하려는 시도도 있었으나, 리튬과 전해액이 만나는 표면적이 넓어지면서 스스로 소모되는 부반응이 커져 수명이 단축되는 딜레마가 있었다. 초경량·고에너지 리튬-황 전지에 적용할 경우에는 황 성분이 음극을 부식시키는 셔틀 현상까지 겹쳐 상용화가 어려웠다.

연구팀은 ‘속은 비우고 겉은 닫는’ 새로운 개념의 설계로 문제를 해결했다. 먼저 2차원 소재인 맥신(MXene)에 폴리스티렌 나노입자를 섞어 진공 여과한 뒤 열처리로 나노입자를 제거해, 내부에 리튬을 저장할 공간이 넉넉한 ‘3차원 다공성 맥신 호스트(뼈대)’를 만들었다. 이어 뼈대 겉면에 100nm 두께의 얇은 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트 고분자 박막을 입혀 피부처럼 전극을 감싸는 ‘스킨 패시베이션 층(Skin-PASS)’을 형성했다. 이 스킨층은 표면에서의 부반응은 차단하면서 리튬 이온은 통과시켜, 리튬이 전극 겉면이 아닌 내부 뼈대 속에 균일하게 저장되도록 유도한다.

그 결과 리튬 이온 수송 지수가 약 0.48에서 0.59로 향상됐고, 1~30 mA cm⁻²의 넓은 전류 밀도 범위에서 16~204 mV의 낮은 과전압을 보였으며, 99.6%의 높은 쿨롱 효율을 기록했다. 고속 충전에도 무리 없이 작동하고 새어 나가는 전기가 거의 없이 충전량을 온전히 쓸 수 있다는 뜻이다. 또한 1,000회 이상 충·방전을 반복해도 성능이 안정적으로 유지됐다.

이 전극을 적용한 리튬-황 전지는 100회 충·방전 후에도 음극 표면 부식이 약 5% 수준에 그쳤고, 황 양극 기준 높은 에너지 밀도(2,100 Wh kg⁻¹)와 용량 유지율(충·방전 300회 이후 70%)을 기록했다. 실제 상용 제품 형태인 파우치 셀 실험에서도 전체 무게 기준 높은 에너지 밀도(315 Wh kg⁻¹)와 용량 유지율(20회 충·방전 후 94.7%)을 확인했다.

연구진은 이번 연구가 고속 충·방전이 가능하면서도 안전하고 오래가는 고에너지 리튬 금속 전지 및 리튬-황 전지 개발에 중요한 기반이 될 것으로 기대한다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 화학·재료 분야 국제 학술지 ‘Advanced Functional Materials(IF=19.9)’ 온라인에 8월 26일 게재됐다. 논문명은 ‘Skin-Passivated Porous MXene Hosts Enable Fast and Durable Lithium Metal Anodes for High-Energy Lithium–Sulfur Batteries’다.

연구는 한국연구재단과 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행됐다. 고려대 KU-KIST융합대학원 허영훈 석박사통합과정생과 한국과학기술연구원(KIST) 이주연 연구원이 공동제1저자로 참여했고, 고려대 윤영수 교수, KIST 김선준 박사와 성혜정 박사, 중국 허베이과학기술대학교 카이웨이 양(Kaiwei Yang) 교수가 교신저자로 참여했다.

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