입력 2025.12.30 16:11
- 고접착·고전도성 고분자 중간층으로 제조공정성·수명 문제 동시 해결
- 슬러리 공정 호환… 리튬 탈리 과전압 60%↓, 300mm급 전극 실증
- Advanced Energy Materials 표지 논문 선정
연세대학교(총장 윤동섭) 화공생명공학과 이용민 교수, 김정훈 교수, 류두열 교수 연구팀이 리튬 금속 분말 음극에서 오랜 난제로 지적돼 온 집전체 계면 탈리 문제를 해결할 수 있는 고접착성·고전자전도성 계면 중간층 기술을 세계 최초로 구현했다.
이번 연구는 접착성과 전도성을 동시에 갖춘 복합 고분자를 자체 합성해 리튬 금속 분말 코팅층과 집전체 사이에 프라이머 코팅 소재로 도입함으로써, 구조적 안정성과 전기적 연결성을 동시에 확보한 것이 핵심이다.
연구 성과는 에너지 소재 분야 세계적 권위 학술지 ‘Advanced Energy Materials(IF=26)’에 표지 논문으로 선정돼 지난 10월 14일 게재됐다.
리튬 금속은 매우 높은 이론 용량과 낮은 전기화학적 환원 전위를 지녀 차세대 이차전지의 핵심 음극 소재로 주목받고 있다. 그러나 박막 필름 형태의 리튬 금속은 압출·압연 공정에 기반한 기존 제조 방식으로는 초박막화와 대면적화를 동시에 구현하기 어렵다는 한계를 안고 있다.
이를 극복하기 위한 대안으로 리튬 금속 분말을 활용한 슬러리 코팅 방식이 제시됐지만, 코팅층과 집전체 사이의 접착력이 낮아 충·방전 과정에서 계면 탈리가 발생하고, 이에 따라 전기적 연결성 저하와 내부 저항 증가, 사이클 수명 감소로 이어지는 문제가 반복적으로 지적됐다.
연세대 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 접착성과 높은 전기전도도를 동시에 갖는 고분자를 설계·합성하고, 이를 약 100나노미터(nm) 두께의 계면 중간층으로 도입했다.
이 고분자 중간층은 집전체와 리튬 금속 분말 코팅층 사이의 접착력을 크게 향상시켜 리튬 분말이 집전체에 안정적으로 고정되도록 하며, 충·방전 과정에서 발생하는 계면 탈리를 효과적으로 억제해 구조적 안정성을 확보했다. 이와 함께 전기적 연결성을 유지해 계면 저항 증가를 방지하는 역할도 수행한다. 아울러 집전체와 전해액의 직접 접촉 면적을 줄여 리튬 금속 분말의 갈바닉 부식을 억제하는 효과 역시 확인됐다.
이번 기술은 기존 슬러리 기반 전극 제조 공정과의 높은 호환성 측면에서도 의미가 크다. 리튬 금속 분말 슬러리 코팅 공정과 고분자 계면 중간층 코팅 공정은 모두 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 구현할 수 있으며, 연구팀은 이를 통해 두께 20마이크로미터(μm), 폭 300밀리미터(mm) 규모의 리튬 금속 분말 전극을 실제로 제작해 대면적 제조 가능성을 실증했다.
전기화학 평가 결과, 계면 중간층을 적용한 전극은 리튬 탈리 과전압이 약 60% 감소했으며, 고속 방전 조건에서도 충·방전 150회까지 90% 이상의 용량을 유지하는 성능을 보였다. 연구팀은 이러한 성능 개선이 슬러리 기반 리튬 금속 음극에서 빈번히 발생해 온 집전체 계면 탈리와 리튬 금속 분말의 전기화학적 비활성화 문제를 효과적으로 완화한 결과라고 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐으며, 강동윤·정민석·김수환 연구원이 공동 제1저자로, 이용민 교수·김정훈 교수·류두열 교수가 공동 교신저자로 참여했다.
(논문 정보)
1. 논문 제목: A Tailored Adhesive-Conductive Interlayer for Interface Stabilization of Large-Scale Lithium Metal Powder Electrodes for High-Energy-Density Batteries
2. 논문 주소: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405780