[신소재에너지공학전공] 김문수 교수, 실사용 조건의 장수명/고안정성 리튬금속전지용 호스트 물질 발굴, IF 16.0 (JCR 상위 6.0%) ACS Nano에 논문 게재
국립경국대학교 전기·신소재공학부 신소재에너지공학전공 김문수 교수(사진)가 세계적 권위의 학술지 ACS Nano (IF 16.0, JCR 상위 6.0%)에 교신저자로 연구 논문을 게재하였다.
이번 연구는 영남대학교 화학공학부 이기백 교수 연구팀 및 POSCO HOLDINGS 허창훈 수석연구원과 공동연구를 통해 수행된 것으로, 연구진은 기존 리튬금속전지용 호스트 물질로 연구되었던 질소 도핑된 다공성 탄소 (N-doped porous carbon)에 플라스틱 원료인 PVDF로부터 유래한 불소 (Fluorine)를 추가로 도핑하여 리튬금속전지의 핵심 저장반응인 리튬도금의 균일성과 전해질 분해로부터 유래한 고체-전해질 계면 (SEI layer) 형성을 더 안정적으로 수행하는 리튬금속전지용 신규 호스트 물질을 개발하였다.
리튬금속전지 (Li-metal Battery)는 차세대리튬이온전지의 한 궤로써, 기존 리튬이온전지에서 사용되는 흑연 음극이 아닌, 리튬 금속을 음극으로 사용함으로써 흑연의 이론용량 (378 mAh/g) 대비 10배가량 높은 이론용량 (3860 mAh/g)을 나타내어 더 가벼운 무게와 작은 부피로 높은 용량을 낼 수 있는 고에너지밀도 이차전지와 전고체전지의 핵심 기술이다. 그러나 리튬 금속은 충전 시 도금되는 과정과, 방전 시 용출되는 과정을 반복하면서 균일한 필름형 증착이 아닌 수직형 성장을 통해 수지상 (dendrite)을 형성하며, 이는 분리막을 파괴하고 양극과 연결되어 열폭주를 일으키는 단락 (short-circuit)을 만들거나, 수지상에서 탈락하여 더 이상 반응할 수 없는 죽은 리튬 (dead Li) 형성 및 리튬을 노출시켜 SEI layer 재생성을 유발하여 전해질 분해를 촉진시켜 성능을 저하시키고, 내구성과 장수명성을 보장할 수 없게 한다. 이로 인해 고에너지밀도 이차전지와 전고체전지의 상용화를 위해서 반드시 이를 극복해야 하며, 이를 위한 물질로 리튬 체적량이 높은 호스트 재료가 주목되고 있다.
본 연구는 김문수 교수의 2025년 논문 (Chemical Engineering Journal, IF 13.2, JCR 상위 3% / Journal of Materials Chemistry A, IF 9.5, JCR 상위 13.6%)에서 사용한 금속-유기물 골격체 (MOF) 기반 탄소 소재를 활용하여 파생시킨 연구로, 기존의 질소 도핑된 다공성 탄소를 금속-유기물 골격체 기반으로 제작한 후, SEI layer의 안정성을 부여하고 리튬 도금을 균일하게 수행하기 위하여 플라스틱 원료인 PVDF를 열분해하여 불소를 추가로 도핑하였다. 이 호스트물질은 안정적인 리튬 흡착 에너지를 가질 뿐만 아니라, 불화리튬 형성을 더욱 안정적으로 수행하여 리튬 저장 능력을 향상시킬 수 있음을 밀도함수이론 계산 (DFT calculation)을 통해 확인하였으며, 실제 이차전지 충, 방전 성능 시험에서 실사용 영역의 리튬 도금 용량까지 늘렸음에도 리튬인산철 상용 양극과의 완전 전지에서 250사이클 이상 성능을 유지할 수 있음을 확인하였다.
본 연구는 “Fluorine–Nitrogen Codoped Carbon Host for Horizontal Lithium Growth with Lithium Fluoride-Rich Solid Electrolyte Interphase in Lean-Lithium Batteries”라는 제목으로 ACS Nano 제 19권 38호 (2025년 9월 30일자)에 게재되었다.
김문수 교수는 “리튬금속전지에 사용되는 리튬금속음극은 현재 개발 및 사용되고 있는 실리콘 음극재료와 함께 고에너지밀도 이차전지와 전고체전지의 성공적인 상용화를 구현하기 위해 반드시 필요한 기술이다”며, “이번 연구에서 개발된 불소 및 질소 이중도핑된 다공성 탄소 호스트 물질은 단순한 침전법과 열분해법 공정만으로 구현이 가능하여 상용화에 어려움이 없을 것이며, 이는 고에너지밀도 이차전지와 전고체전지 상용화에 도움이 될 수 있을 뿐만 아니라, 폐플라스틱으로부터 유래한 PVDF 활용으로 자원 재순환에도 기여할 수 있을 것으로 생각한다”고 전했다.
한편, 김문수 교수는 본 연구 결과를 바이오 유래 소재와 융합하여 지역산업발전에 기여하고자 (글로컬대학) 밀랍 기반 차세대 이차전지용 고부가가치 소재 연구개발 과제를 수주하여 후속 연구를 수행 중에 있다.
사진. 김문수 교수 (왼쪽) / 불소 및 질소 도핑된 다공성 탄소 호스트 활용 리튬금속전지 연구개요도 (오른쪽)
