UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 이현욱 교수, 고려대(총장 김동원) 화공생명공학과 곽상규 교수와 미국 라이스대학교(Rice University) 하오티안 왕(Haotian Wang) 교수팀은 극저온 투과전자현미경 분석법(Cryogenic electron microscopy)과 범밀도함수 이론(Density functional theory, DFT) 계산을 활용한 공동 연구를 진행했다. 연구팀은 이번 연구를 통해 리튬 금속 음극 소재 표면에 형성되는 고체전해질 계면(SEI) 층의 나노구조와 성능 향상 원리에 대해 규명했다.
리튬 금속 음극 소재는 상용화된 흑연 음극 소재 보다 약 10배 높은 용량으로 인해 차세대 전지 음극 소재로 활발히 연구되고 있다. 하지만 소재의 불안정성으로 인해 상용화가 어렵고, 특히 전지를 구동하는 과정 중 소재 표면에 형성되는 고체전해질 계면층의 구조와 구동 원리에 대한 이해 부족 등 다양한 문제점이 발견되고 있다.
연구팀은 리튬 금속 및 고체전해질 계면층 분석을 위해 극저온 투과전자현미경 분석법을 활용했다. 2017년 노벨화학상을 받은 연구주제를 활용한 것으로 소재를 약 –175℃의 극저온 상태로 냉각시켜 나노 단위의 고도분석을 하는 기술이다. 해당 분석법을 통해 민감한 특성으로 인해 분석에 어려움을 겪었던 리튬 금속과 그 계면층의 정확한 구조를 파악하는 데 성공했다.
그림1. 육불화인산리튬 염을 함유한 상용화된 카보네이트 기반 전해질이 리튬 금속 음극 소재 표면에 형성하는 SEI 층의 고배율 극저온 투과전자현미경 이미지
논문의 1 저자인 위태웅 라이스대학교 박사후연구원은 “리튬 금속 소재 표면의 고체전해질 계면층에 대한 분석들은 대부분 성분 변화를 추론하는 데 그쳤지만, 이번 연구를 통해 정확한 나노구조를 규명해 계면층 연구의 새로운 방향을 제시했다”며 “기존에 알려지지 않았던 이중 고체전해질 계면층의 구조와 성능 향상 원리를 밝혀냄으로써 리튬금속전지 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
그림2. 리튬비스(플루오르설포닐)이미드 염을 함유한 에테르 기반 고농도 전해질이 리튬 금속 음극 소재 표면에 형성하는 SEI 층의 고배율 극저온 투과전자현미경 이미지와 모식도
이현욱 에너지화학공학과 교수는 “전지 전체 성능에 영향을 줄 수 있는 계면 분석이 중요하다는 점을 많은 연구진들이 공감하고 있다. 그러나 이차전지에 적합한 고도분석 센터는 우리나라에 부족한 실정이다”며 “이에 UNIST에서 이차전지와 차세대전지를 고도분석할 수 있는 올인원 분석센터를 설비하고 있는데 이런 인프라 구축을 통해 우리나라 이차전지 역량을 극대화하는게 필요하다”고 연구의 기대효과를 설명했다.
본 연구에서 규명한 이중 고체전해질 계면층은 무기 성분 리튬 금속 음극 표면에 고르게 분포하고 있어 빠른 속도로 리튬 이온의 전도가 가능하다. 즉, 국부적으로 리튬이 집중되는 현상을 방지하고 전지 구동에 치명적인 수지상 형성 또한 억제할 수 있음을 밝혀냈다.
그림3. (A) 이중 SEI 층의 리튬 이온 전도 에너지 비교. 육불화인산리튬 염을 함유한 상용화된 카보네이트 기반 전해질과 리튬비스(플루오르설포닐)이미드 염을 함유한 에테르 기반 고농도 전해질을 사용했을 때의 리튬 금속 음극 성능 (B; 과전압, C; 표면 저항) 및 안정성 (D) 비교.
이번 연구는 울산과학기술원 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연계 신진후속 사업, 한국에너지기술평가원 에너지신산업 글로벌 인재육성사업의 지원으로 수행됐다. 에너지 분야 국제 저명학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 4월 13일에 게재됐고, 최근 30일동안 저널에서 가장 많이 다운로드한 상위 20개 논문 중 하나로 선정됐다.
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