Search
전극 표면에 `인공 피부`를 입힌 다공성 맥신(MXene) 호스트 설계를 통한 리튬-황 전지용 고속·장수명 리튬 금속 음극 개발
2026.09.08 Views 66
전극 표면에 '인공 피부'를 입힌 다공성 맥신(MXene) 호스트 설계를 통한 리튬-황 전지용 고속·장수명 리튬 금속 음극 개발
왼쪽부터 KU-KIST융합대학원 허영훈 석/박사 통합과정, 윤영수 교수
연구진은 다공성 맥신(MXene) 리튬 호스트의 최상단 표면에만 약 100 nm 두께의 고분자 박막을 입혀 전해액 침투는 막고 리튬 이온만 선택적으로 통과시키는 ‘스킨 패시베이션(Skin-PASS)’ 전략을 개발하고, 이를 통해 1,000회 이상 안정적으로 구동하는 리튬 금속 음극과 2,100 Wh kg⁻¹의 고에너지 리튬-황 전지 구현
내용(분량 자유) : 웨어러블 기기, 드론, 로봇, 도심항공교통(UAM) 등 차세대 모빌리티와 지능형 전자기기가 빠르게 확산되면서, 이들이 요구하는 에너지 밀도와 출력은 기존 리튬 이온 전지의 한계를 넘어서고 있습니다. 이러한 상황에서 리튬 금속 음극은 흑연 음극의 10배에 달하는 높은 이론 용량(3,860 mAh g⁻¹)과 가장 낮은 전기화학 전위(−3.04 V vs. SHE)를 지녀 포스트 리튬 이온 전지의 핵심 기술로 주목받고 있으며, 특히 값싸고 가벼운 황(1,672 mAh g⁻¹)을 양극으로 사용하는 리튬-황 전지와 결합하면 초경량·고에너지 전지를 구현할 수 있습니다. 그러나 리튬 금속 음극은 충·방전 과정에서 뾰족한 덴드라이트가 자라 분리막을 뚫고 단락을 일으키기 쉽고, 전해액과의 부반응으로 리튬과 전해액이 계속 소모되어 수명이 짧다는 문제가 있습니다. 이를 완화하기 위해 표면적이 넓은 3차원 전극 구조가 널리 연구되어 왔지만, 표면적이 넓어지는 만큼 전해액과의 부반응도 함께 늘어나기 때문에 출력을 높이면 효율과 수명이 떨어지는 근본적인 딜레마가 있었습니다. 여기에 리튬-황 전지에서는 양극에서 녹아 나온 리튬 폴리설파이드가 음극으로 이동해 리튬 표면을 부식시키는 ‘셔틀 현상’까지 더해져, 실용화가 더욱 어려운 상황이었습니다.
윤영수 교수 연구팀의 허영훈 학생은 이 딜레마를 해결하기 위해 ‘전극 내부는 넓게, 겉표면은 닫아 두는’ 새로운 설계 개념에 주목했습니다. 연구팀은 2차원 소재인 맥신(Ti₃C₂Tₓ MXene)에 폴리스티렌 나노입자를 섞어 진공 여과한 뒤 열처리로 나노입자를 제거하여, 내부에 리튬을 저장할 수 있는 공간이 고르게 분포한 3차원 다공성 맥신 호스트를 만들었습니다. 그 위에 개시제 화학기상증착(iCVD) 공정을 이용해 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(pEGDMA) 고분자를 약 100 nm 두께로 최상단 표면에만 얇고 균일하게 입혀, 마치 피부처럼 전극을 감싸는 ‘스킨 패시베이션 층(Skin-PASS)’을 형성하였습니다. 이 스킨층은 용매 분자의 침투와 겉표면에서의 부반응은 차단하면서도 리튬 이온은 선택적으로 통과시켜, 리튬이 전극 겉면이 아닌 내부의 다공성 맥신 골격 속에 균일하게 저장되도록 유도합니다. 그 결과 리튬 이온 수송 지수(transference number)가 약 0.48에서 0.59로 향상되었고, 1~30 mA cm⁻²의 넓은 전류 밀도 범위에서 16~204 mV의 낮은 과전압을 보였으며, 99.6%의 높은 쿨롱 효율과 1,000회 이상의 안정적인 수명을 달성하였습니다. 이러한 리튬 금속 음극을 황 양극과 결합한 리튬-황 전지에서는 폴리설파이드 셔틀 반응이 크게 억제되어 100회 충·방전 후에도 음극 표면에 쌓인 Li₂S₂/Li₂S가 약 5% 수준에 그쳤고, 황 기준 2,100 Wh kg⁻¹의 높은 에너지 밀도와 300회 이후 70%의 용량 유지율을 기록하였습니다. 나아가 실제 제품에 가까운 파우치 셀에서도 셀 전체 무게 기준 315 Wh kg⁻¹의 에너지 밀도와 20회 후 94.7%의 용량 유지율을 확인하였습니다. 이는 3차원 전극의 넓은 내부 표면적은 그대로 활용하면서도 부반응은 겉표면 계면 제어만으로 억제할 수 있음을 보여주는 성과로, 앞으로 고속 충·방전이 가능하면서도 안전하고 오래가는 고에너지 리튬 금속 전지 및 리튬-황 전지 개발에 중요한 기반이 될 것으로 기대됩니다.
본 연구내용은 KU-KIST 융합 대학원의 허영훈 석/박사 통합과정 학생(지도교수: 윤영수)이 한국과학기술연구원(KIST) 이주연 연구원과 공동 제1저자로 주도적으로 연구를 진행하였으며, 윤영수 교수, KIST 김선준 박사, 성혜정 박사, 허베이과학기술대학교 Kaiwei Yang 교수가 교신저자로 참여하였습니다. 허영훈 학생의 이번 연구는 8월 26일 Advanced Functional Materials (IF: 19.9)에 “Skin-Passivated Porous MXene Hosts Enable Fast and Durable Lithium Metal Anodes for High-Energy Lithium–Sulfur Batteries”의 제목으로 온라인 게재 되었습니다.
그림 1. 표면 패시베이션 다공성 맥신 호스트(SP-MXH)의 제조 과정 모식도와 단면 전자현미경 이미지, 원소 분포 이미지.
다공성 맥신 골격의 최상단에만 약 100 nm 두께의 pEGDMA 스킨층이 균일하게 형성되어 리튬을 전극 내부에만 선택적으로 저장할 수 있음을 보여준다.
다공성 맥신 골격의 최상단에만 약 100 nm 두께의 pEGDMA 스킨층이 균일하게 형성되어 리튬을 전극 내부에만 선택적으로 저장할 수 있음을 보여준다.
file
