새로운 전해질 기술을 사용하여 양극 없는 배터리로 EV 주행 거리를 두 배로 늘림

포항공과대학교(POSTECH), 한국 포항

사이클 성능을 갖춘 가역 호스트 설계 전해질의 개략도 및 파우치 셀. (이미지 :연구원)

포스텍 화학과 박수진·한동엽 박사 공동연구팀은 KAIST 최남순·김세훈 박사, 경상대학교 이태경 교수·손준수 연구원과 함께 음극재 없는 리튬금속전지에서 체적에너지밀도 1270Wh/L 달성에 성공했다. 이는 현재 전기자동차에 사용되는 리튬이온 배터리(일반적으로 약 650Wh/L)의 거의 두 배에 달하는 수치입니다. 이 성과는 Advanced Materials에 게재되었습니다.

양극이 없는 리튬 금속 배터리는 기존 양극을 완전히 제거합니다. 대신, 음극에 저장된 리튬 이온은 충전 중에 이동하여 구리 집전체에 직접 침전됩니다. 불필요한 구성 요소를 제거하면 동일한 크기의 탱크에 더 많은 연료를 장착하는 것처럼 더 많은 내부 공간을 에너지 저장에 사용할 수 있습니다. 그러나 이 설계에는 심각한 문제가 따릅니다. 리튬이 고르지 않게 증착되면 수상돌기라고 알려진 날카로운 바늘 모양 구조가 형성되어 단락 위험과 잠재적인 안전 위험이 증가할 수 있습니다. 충전과 방전을 반복하면 리튬 표면이 손상되어 배터리 수명이 급격히 단축될 수도 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 가역 호스트(RH)와 설계된 전해질(DEL)을 결합하는 이중 전략을 채택했습니다. 가역 호스트는 균일하게 분포된 은(Ag) 나노입자가 내장된 폴리머 프레임워크로 구성되어 리튬이 무작위가 아닌 지정된 위치에 증착되도록 유도합니다. 간단히 말해서 리튬 전용 주차장 역할을 하여 질서 있고 균일한 증착을 보장합니다.

설계된 전해질은 리튬 표면에 Li2O와 Li₃N으로 구성된 얇지만 견고한 보호층을 형성해 안정성을 더욱 강화했다. 이 층은 피부의 붕대와 같은 역할을 하여 유해한 수상돌기 성장을 방지하는 동시에 리튬 이온 수송을 위한 열린 경로를 유지합니다.

결합 시 RH-DEL 시스템은 뛰어난 성능을 제공했습니다. 높은 면적 용량(4.6 mAh cm -2) ) 및 전류 밀도(2.3mA cm -2 ), 배터리는 100사이클 후에도 초기 용량의 81.9%를 유지했으며 99.6%의 평균 쿨롱 효율을 달성했습니다. 이러한 결과를 통해 팀은 양극이 없는 리튬 금속 배터리에서 기록적인 1270Wh/L 체적 에너지 밀도에 도달할 수 있었습니다.

중요한 것은 이 성능이 소형 실험실 셀뿐만 아니라 실제 전기차 애플리케이션에 가까운 파우치형 배터리에서도 검증됐다는 점이다. 최소한의 전해질(E/C =2.5g Ah-1)로도 ) 및 낮은 스택 압력(20kPa)에서 배터리는 안정적으로 작동했습니다. 이는 제조 부담을 낮추면서 배터리 무게와 부피를 줄여 상업적 생존 가능성을 크게 향상시킬 수 있는 강력한 잠재력을 보여줍니다.

박수진 교수는 “이번 연구는 무양극 리튬금속전지의 효율과 수명 문제를 동시에 해결한 의미 있는 돌파구”라고 평가했다. 이태경 교수는 “우리 연구는 상용 용매를 기반으로 한 전해질 설계가 높은 리튬이온 이동도와 계면 안정성을 동시에 달성할 수 있음을 입증했다”고 덧붙였다.

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