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윤영수 교수팀, 고에너지밀도 알루미늄 이차전지 단락 메커니즘 규명을 통해 고성능 전극 및 박막 분리막 설계 기술 개발
2026.03.23 Views 163
고에너지밀도 알루미늄 이차전지 단락 메커니즘 규명을 통해
고성능 전극 및 박막 분리막 설계 기술 개발
왼쪽부터 KU-KIST융합대학원 허영훈 석/박사 통합과정, 윤영수 교수
연구진은 알루미늄 이차전지에서 발생하는 비정상 단락 메커니즘을 밝혀내고, 이를 바탕으로 기존 분리막보다 1/10배 수준의 박막 분리막에서도 안정적으로 작동하는 분리막 및 고성능 전극 소재 개발
스마트폰과 같은 소형 전자기기부터 전기자동차 및 대규모 에너지저장장치에 이르기까지 에너지 저장 기술은 현대 산업과 일상에 필수적인 요소입니다. 하지만 현재 널리 사용되는 리튬 이온 전지는 더 낮은 비용, 더 높은 질량 및 부피 에너지 밀도, 높은 출력 특성, 긴 수명, 우수한 안전성에 대한 시장의 요구를 충족하는 데 한계를 가집니다. 따라서 지구상의 풍부한 매장량과 높은 이론 용량(2,980 mA h g-1, 8,046 mA h cm-3)을 가진 알루미늄 금속 음극에 기초한 알루미늄 이차전지는 현재의 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 가장 유망한 차세대 이차전지 시스템으로 주목받고 있습니다. 그러나 실제 구동 과정에서는 전극이 갑자기 단락되어 셀이 고장 나는 문제로 인해 두꺼운 분리막을 사용할 수밖에 없어 에너지 및 출력 밀도가 크게 감소 합니다.
윤영수 교수 연구팀의 허영훈 학생은 이러한 단락 문제가 발생하는 원인을 규명하기 위해 몰입하였으며, 이를 실험과 이론 계산을 함께 활용하여 정밀하게 분석하고, 그 원인을 체계적으로 밝혀냈습니다. 이를 통해 알루미늄이 증착되는 과정에서 염소 이온(Cl⁻)이 원활하게 이동하지 못하면 반응 생성물이 전극 주변에 국소적으로 쌓이게 되고, 이로 인해 알루미늄이 옆으로 고르게 퍼지지 못한 채 위쪽으로 뾰족하게 성장하면서 결국 분리막을 뚫고 단락을 일으키는 것을 밝혀냈습니다. 이 문제를 해결하기 위해 알루미늄이 내부 공간에 균일하게 저장될 수 있도록 3차원 나노구조 탄소 전극(3D-GCE)을 새롭게 설계하였습니다. 여기에 더해, 염소가 도핑된 폴리프로필렌 분리막(Cl-PP)을 적용해 염소 이온의 이동을 더욱 빠르게 유도하였습니다. 그 결과, 알루미늄이 분리막 방향으로 비정상적으로 자라는 현상을 억제하고, 전극 내부에서 보다 안정적이고 가역적으로 반응하도록 만들었습니다. 이 통합 설계를 적용한 결과, 기존 분리막보다 최소 10배 이상 얇은 단일 폴리프로필렌 분리막만으로도 약 8.2 mAh cm⁻²의 높은 면적용량과 500회 이상의 안정적인 충·방전 수명을 달성하였습니다. 이는 기존 알루미늄 이차전지의 낮은 용량 활용도와 조기 셀 고장 문제를 동시에 개선할 수 있음을 보여주는 성과로, 앞으로 고에너지밀도이면서도 안전한 차세대 알루미늄 이차전지 개발에 중요한 기반이 될 것으로 기대됩니다.
본 연구내용은 KU-KIST 융합 대학원의 허영훈 석/박사 통합과정 학생(지도교수: 윤영수)이 주도적으로 실험을 진행하였습니다. 허영훈 학생의 이번 연구는 이번 1월 26일 InfoMat (IF: 22.3)에 “Suppressing Vertical Aluminum Growth via Accelerated Interfacial Cl⁻ Dynamics for High-Areal-Capacity, Long-Life Aluminum Metal Anodes”의 제목으로 온라인 게재 되었습니다.
그림 1. 염소가 도핑된 폴리프로필렌 분리막을 사용하였을 때 염소 이온의 빠른 이동 특성을 나타내는 이미지.
스마트폰과 같은 소형 전자기기부터 전기자동차 및 대규모 에너지저장장치에 이르기까지 에너지 저장 기술은 현대 산업과 일상에 필수적인 요소입니다. 하지만 현재 널리 사용되는 리튬 이온 전지는 더 낮은 비용, 더 높은 질량 및 부피 에너지 밀도, 높은 출력 특성, 긴 수명, 우수한 안전성에 대한 시장의 요구를 충족하는 데 한계를 가집니다. 따라서 지구상의 풍부한 매장량과 높은 이론 용량(2,980 mA h g-1, 8,046 mA h cm-3)을 가진 알루미늄 금속 음극에 기초한 알루미늄 이차전지는 현재의 리튬 이온 전지를 대체할 수 있는 가장 유망한 차세대 이차전지 시스템으로 주목받고 있습니다. 그러나 실제 구동 과정에서는 전극이 갑자기 단락되어 셀이 고장 나는 문제로 인해 두꺼운 분리막을 사용할 수밖에 없어 에너지 및 출력 밀도가 크게 감소 합니다.
윤영수 교수 연구팀의 허영훈 학생은 이러한 단락 문제가 발생하는 원인을 규명하기 위해 몰입하였으며, 이를 실험과 이론 계산을 함께 활용하여 정밀하게 분석하고, 그 원인을 체계적으로 밝혀냈습니다. 이를 통해 알루미늄이 증착되는 과정에서 염소 이온(Cl⁻)이 원활하게 이동하지 못하면 반응 생성물이 전극 주변에 국소적으로 쌓이게 되고, 이로 인해 알루미늄이 옆으로 고르게 퍼지지 못한 채 위쪽으로 뾰족하게 성장하면서 결국 분리막을 뚫고 단락을 일으키는 것을 밝혀냈습니다. 이 문제를 해결하기 위해 알루미늄이 내부 공간에 균일하게 저장될 수 있도록 3차원 나노구조 탄소 전극(3D-GCE)을 새롭게 설계하였습니다. 여기에 더해, 염소가 도핑된 폴리프로필렌 분리막(Cl-PP)을 적용해 염소 이온의 이동을 더욱 빠르게 유도하였습니다. 그 결과, 알루미늄이 분리막 방향으로 비정상적으로 자라는 현상을 억제하고, 전극 내부에서 보다 안정적이고 가역적으로 반응하도록 만들었습니다. 이 통합 설계를 적용한 결과, 기존 분리막보다 최소 10배 이상 얇은 단일 폴리프로필렌 분리막만으로도 약 8.2 mAh cm⁻²의 높은 면적용량과 500회 이상의 안정적인 충·방전 수명을 달성하였습니다. 이는 기존 알루미늄 이차전지의 낮은 용량 활용도와 조기 셀 고장 문제를 동시에 개선할 수 있음을 보여주는 성과로, 앞으로 고에너지밀도이면서도 안전한 차세대 알루미늄 이차전지 개발에 중요한 기반이 될 것으로 기대됩니다.
본 연구내용은 KU-KIST 융합 대학원의 허영훈 석/박사 통합과정 학생(지도교수: 윤영수)이 주도적으로 실험을 진행하였습니다. 허영훈 학생의 이번 연구는 이번 1월 26일 InfoMat (IF: 22.3)에 “Suppressing Vertical Aluminum Growth via Accelerated Interfacial Cl⁻ Dynamics for High-Areal-Capacity, Long-Life Aluminum Metal Anodes”의 제목으로 온라인 게재 되었습니다.
그림 1. 염소가 도핑된 폴리프로필렌 분리막을 사용하였을 때 염소 이온의 빠른 이동 특성을 나타내는 이미지.
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