- 초박막 Sn/C 계면층 활용… 리튬의 균일한 석출 유도 및 계면 불안정성 억제
- 100회 충·방전 후 235.13 Wh/L의 부피 에너지밀도 달성… 사전 리튬화 전략으로 초기 리튬 손실 보완
- 김현석 교수, “소형화 전자 시스템용 차세대 ‘고성능 마이크로배터리 설계’ 지침 제시”
- 에너지 소재 분야 국제학술지 Advanced Energy Materials (IF=25.5) 게재

▲ 동국대 에너지신소재공학과 김현석 교수

동국대 에너지신소재공학과 김현석 교수 연구팀이 건국대학교, KAIST, 부산대학교와의 공동연구를 통해 초박막 구조에서도 높은 에너지밀도와 안정적인 충·방전 성능을 구현한 무음극 박막 전고체전지를 개발했다. 이번 기술은 향후 웨어러블 전자기기, 사물인터넷 센서, 의료용 임플란트 등 소형화된 전자 시스템을 위한 고성능 전원 기술에 활용될 것으로 기대를 모은다.

차세대 전지인 ‘​무음극 전고체전지’는 제조 단계에서 리튬 금속 음극을 미리 형성하지 않고, 충전 과정에서 양극으로부터 이동한 리튬을 집전체 표면에 석출시켜 음극을 형성한다. 리튬 금속층을 제거할 수 있어 전지의 부피를 줄이고 전체 전지 기준 체적 에너지밀도를 높일 수 있지만, 리튬이 계면 반응이나 비활성 리튬 형성으로 손실되면 용량과 수명이 빠르게 감소한다. 특히 리튬의 불균일한 석출과 박리 과정에서 발생하는 계면 접촉 손실은 박막형 무음극 전지의 실용화를 가로막는 핵심 문제였다.

연구팀은 초박막 Sn/C 계면층을 도입해 집전체 표면에서 리튬이 균일하게 형성되도록 유도하고, 충·방전 가역성과 순환 안정성을 높여 문제를 해결했다. 또한, 사전 리튬화 전략을 적용해 초기 리튬 손실을 보완함으로써 반복적인 충·방전 과정에서도 안정적인 전지 성능을 확보했다.

최적화된 전지는 100회 충·방전 후에도 전체 전지 기준 235.13 Wh/L의 부피 에너지밀도를 기록했다. 특히, 전체 두께가 2.77 μm에 불과한 초박막 구조에서 높은 에너지밀도를 구현해 차세대 마이크로배터리 기술로서의 가능성을 보여줬다.

김현석 교수는 “이번 연구는 무음극 전고체전지의 계면 안정성과 초기 리튬 손실 문제를 함께 개선했다는 데 의미가 있다”며 “제안한 계면 설계와 사전 리튬화 전략은 고에너지밀도와 장기 안정성을 갖춘 초소형 전고체전지를 구현하는 데 활용될 수 있을 것”이라고 전했다.

▲ Advanced Energy Materials Vol.16 No.31 커버 이미지

한편, 이번 연구에는 동국대학교와 함께 건국대학교, KAIST, 부산대학교, 나노종합기술원이 참여했다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 Advanced Energy Materials (IF=25.5)에 “Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode”라는 제목으로 게재되었으며, Vol.16 No.31 표지 논문으로 선정되었다.