가천대·UNIST·중앙대 "리튬전지 에너지밀도 20% 높인다"

'원스텝 건식 사전리튬화' 기술 개발

[성남=뉴시스](사진좌측부터)가천대 화공생명배터리공학부 최정현 교수, UNIST 에너지화학공학과 곽원진 교수, 중앙대 에너지시스템공학부 문장혁 교수[email protected]

[성남=뉴시스] 신정훈 기자 = 가천대학교 화공생명배터리공학부 최정현 교수 연구팀은 울산과학기술원(UNIST) 곽원진 교수 연구팀, 중앙대학교 문장혁 교수 연구팀과 공동으로 리튬이온전지의 에너지밀도를 향상시킬 수 있는 '후막 건식 음극 사전리튬화'(prelithiation)기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

이번 연구는 건식 전극 제조와 사전리튬화를 동시에 수행하는 '원스텝(one-step)' 공정 전략을 제안한 것이 특징이다. 이를 통해 리튬이온전지 음극의 초기 충방전 효율(Initial Coulombic Efficiency, ICE)과 셀 에너지밀도를 동시에 개선했다.

리튬이온전지 음극은 초기 충전 과정에서 전해질 분해 등 부반응으로 가역 리튬 손실이 발생한다. 이로 인해 에너지밀도가 저하되는 문제가 지속적으로 제기돼 왔다. 기존 사전리튬화 기술은 연속 공정 적용이 어렵고 추가 공정에 따른 비용 부담이 커 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 건식 공정 기반의 고에너지밀도 후막 음극을 리튬 메탈이 코팅된 동박(Li/Cu) 집전체에 직접 접합하는 새로운 공정을 제안했다. 이 방식은 기존 건식 전극 공정에서 사용되던 접착층(프라이머 코팅)을 대체하면서 음극의 비가역 반응을 보상할 수 있는 추가 리튬을 공급해 초기 충방전 과정에서의 리튬 손실을 효과적으로 완화했다.

연구 결과, 제안 공정을 적용한 음극은 기존 건식 전극 대비 전기저항이 감소하고 고체전해질계면(SEI)이 균일하게 형성됐다. 특히 실리콘/흑연(Si/G) 음극과 니켈 함량이 높은(Ni-rich) 양극을 적용한 풀셀 평가에서 기존 대비 20% 이상 향상된 에너지밀도와 안정적인 사이클 성능을 확인했다.

또 해당 공정은 연속식 롤-투-롤(roll-to-roll) 제조 공정과의 호환성이 높고, 별도의 습식 공정이나 복잡한 후처리 없이 적용 가능해 제조 효율 개선과 비용 절감 측면에서도 산업적 활용 가능성이 큰 것으로 평가된다.

이번 연구 성과는 최근 에너지 분야 국제학술지 Energy & Environmental Science(Impact Factor 31.0)에 온라인 게재됐다.


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