고려대학교(총장 김동원)는 윤영수 고려대 융합에너지공학과 교수가 가전기차 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있는 차세대 리튬금속 음극 전지의 작동 메커니즘을 규명했다고 29일 밝혔다.

오늘날 급성장하는 전기차 시장에서 리튬이온전지의 효율을 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다. 해당 연구의 핵심은 기존의 삽입 기반 활성 전극 재료의 한계를 뛰어넘는 새로운 활물질을 개발하는 것이다.

연구진은 호스트 없는 리튬금속 음극에 주목했다. 리튬금속 음극은 낮은 산화, 환원 전위와 함께 높은 용량을 갖고 있어 차세대 음극 활물질로 부상하고 있다. 다만, 해당 물질은 불균일한 리튬 증착 및 수지상 금속 성장에 의해 지속적인 전해질의 고갈, 고열에서의 부피 팽창, 표면 열화와 같은 안전성의 문제를 일으켜 실제 사용에 한계가 있다.

이에 연구진은 리튬 친화성 전극으로 알려진 결함이 있는 탄소 전극에서의 리튬 증착 메커니즘을 규명하고자 했다. 이를 위해 형태는 유사하지만 결함의 유무에 차이가 있는 전극을 비교해 연구를 진행했다.

연구진은 심층적인 전기화학적 연구를 통해 결함이 있는 탄소 전극 표면에서 높은 활성 리튬 흡착 및 빠른 표면 확산이 균일한 리튬 증착에 큰 영향을 미칠 수 있음을 확인했다. 더 나아가 해당 연구 결과를 통해 활성 리튬 농도가 높은 전극을 리튬금속 음극용 '과포화 전극'으로 새롭게 정의했으며, 과포화 전극을 이용해 고성능 리튬금속 음극을 설계했다.

본 연구는 한국연구재단 미래유망융합기술파이오니어사업 및 한국과학기술연구원 KU-KIST School 운영 사업의 지원을 받아 진행됐으며, 국제 저널 '앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition,IF: 16.1)' 에 지난 11월 25일 게재됐다.