한국기술교육대, 이차전지 성능 획기적 향상 2D 소재 코팅 기술 개발

- 리튬 표면 확산 제어 통해 초고에너지 밀도 배터리 상용화 가능성 제시

PtTe₂는 리튬의 빠른 표면 확산을 유도하고, PdTe₂ 및 NiTe₂는 리튬과의 반응을 통해 생성된 Li₂Te에 의해 핵 생성 밀도를 증가시키는 메커니즘을 나타낸 모식도. (자료제공: 한국기술교육대)

한국기술교육대학교(KOREATECH, 총장 유길상)는 에너지신소재화학공학부 김석준 교수 연구팀이 리튬 금속 배터리 및 무음극 리튬 이온 배터리의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 ‘이차전지 인터페이스 설계 기술’을 개발했다고 6월 4일 밝혔다.

김석준 교수 연구팀은 충전 과정에서 리튬이 불균일하게 증착되며 발생하는 덴드라이트(dendrite) 성장을 억제하기 위한 전략으로, 리튬 금속 및 집전체 표면에 두께 5~15 nm의 이차원 전이금속 디칼코게나이드(2D TMD) 박막(PtTe₂, PdTe₂, NiTe₂)을 적용하였다.

PtTe₂ 박막은 높은 결정학적 안정성을 바탕으로 리튬 금속 및 집전체 표면에서 리튬의 표면 확산 속도(surface diffusivity)를 효과적으로 증가시켜, 초기 핵 형성 및 성장을 균일하게 유도하였다.

반면, PdTe₂ 및 NiTe₂ 박막은 상대적으로 낮은 열역학적 안정성으로 인해 리튬과의 반응 시 상분해(phase decomposition)와 동시에 Li₂Te가 형성되고, 이 과정에서 생성된 다수의 핵 형성 부위(nucleation sites)가 균일한 리튬 증착을 유도, 결과적으로 안정적인 고체 전해질 계면(Solid Electrolyte Interphase, SEI) 형성을 촉진하였다.

특히 PdTe₂ 코팅이 적용된 리튬 금속 음극은 상용 수준의 고용량 조건에서도 기존 리튬 금속 음극의 수명 한계를 크게 개선했다. 해당 기술은 액체전해질이 사용되는 이차전지 뿐만 아니라, 전고체 이차전지 상용화에 필수적인 핵심 기술로 평가된다.

김석준 교수는 “이번 연구는 이차전지 인터페이스 설계에서 리튬 증착의 균일도가 표면 확산도와 핵생성 밀도의 함수로 작용함을 규명한 것으로, 새로운 설계 패러다임을 제시한 것”이라며 “이는 고에너지 밀도와 장수명을 동시에 만족하는 차세대 배터리 기술의 상용화를 앞당길 중요한 이정표가 될 것”이라고 밝혔다.

이 연구는 김석준 교수 지도하에 임채윤·이가연·김종겸·최정호 학생이 진행하였으며, 본 연구 결과는 세계적인 재료과학 저널 ‘Advanced Materials’에 6월 1일자로 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]