나노섬유 중간층으로 무음극 전지 안정성 높였다
핵심 요약
한양대와 삼성SDI가 무음극 리튬금속전지의 수명과 구조적 안정성을 높이는 나노섬유 중간층을 개발했다. 2.2Ah 파우치 셀은 100회 충·방전 후에도 높은 용량을 유지했다. 중량 390Wh/kg, 부피 900Wh/L의 에너지 밀도를 구현해 실제 전지 적용 가능성을 확인했다.
한양대학교 김동원 공과대학 화학공학과 교수 연구팀과 삼성SDI 차세대전지 연구팀이 무음극 리튬금속전지의 수명과 구조적 안정성을 높이는 나노섬유 중간층 기술을 개발했다. 하나의 얇은 중간층으로 리튬 이온의 이동을 고르게 조절하고 충·방전 때 발생하는 기계적 응력까지 줄이는 이중 기능을 구현한 것이 핵심이다.
중간층은 니트릴부타디엔고무(NBR), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 리튬이 도입된 실리카(Li-SiO₂) 나노입자를 결합해 전기방사 방식으로 제작했다. 탄성이 뛰어난 NBR/PAN 섬유가 전극의 부피 변화를 흡수하고, PAN의 니트릴기는 리튬 이온과 상호작용해 이동 흐름을 균일하게 만든다. Li-SiO₂ 나노입자는 이온 분포를 조절하는 동시에 나노섬유 구조를 기계적으로 보강한다.
무음극 리튬금속전지는 충·방전을 거듭할수록 구리 집전체 표면에 리튬이 불균일하게 쌓여 덴드라이트와 비활성 리튬이 형성되는 문제가 있었다. 리튬이 석출되고 다시 용출되는 과정에서 전극 부피도 크게 달라져 수명이 빠르게 줄었다. 연구팀은 새 중간층을 통해 불균일한 리튬 석출과 큰 부피 변화를 함께 억제하도록 설계했다.
연구팀은 고용량·고로딩 NCA 양극을 사용한 9층 적층형 양면 파우치 셀을 제작해 실제 전지 적용 가능성을 확인했다. 이 셀은 방전 용량 2.2Ah를 나타냈고 100회 충·방전 뒤에도 높은 용량을 유지했다. 전지 전체 무게와 부피를 기준으로 중량 에너지 밀도 390Wh/kg, 부피 에너지 밀도 900Wh/L를 달성했다. 삼성SDI와 한국연구재단이 연구를 지원했으며 삼성SDI는 전지 제작과 평가에도 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 게재됐다.