한양대-삼성SDI, '무음극 리튬금속전지' 수명·안정성 대폭 높였다

'전기방사 나노섬유 중간층'으로 한계 극복

100회 이상 충방전에도 안정적인 성능 유지

[서울=뉴시스] 한양대학교와 삼성SDI 공동 연구진이 무음극 리튬금속전지의 성능 향상을 위해 개발한 '유·무기 나노섬유 중간층' 개념도. (사진=한양대 제공) 2026.08.13. [email protected] *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 한양대학교와 삼성SDI 공동 연구진이 얇은 나노섬유 한 장으로 리튬 이온의 흐름을 다듬고 전극의 부피 변화까지 완충하는 차세대 배터리 핵심 기술을 구현해 냈다.

13일 한양대에 따르면 공과대학 화학공학과 김동원 교수 연구팀은 삼성SDI 차세대전지 연구팀과 함께 무음극 리튬금속전지의 수명과 구조적 안정성을 높이는 기술을 개발했다.

무음극 리튬금속전지는 기존 리튬이온전지의 흑연 음극과 달리 제조 단계에서 별도의 리튬 음극 활물질을 사용하지 않고, 충전 과정에서 양극에서 나온 리튬을 구리 집전체에 직접 석출시키는 방식이다. 별도의 음극 활물질이 필요하지 않아 전지의 무게와 부피를 줄이면서 에너지 밀도를 높일 수 있어 차세대 배터리 기술로 주목받고 있다.

다만 충방전을 반복하면 리튬이 구리 집전체 표면에 불균일하게 석출되면서 덴드라이트와 비활성 리튬이 형성되고, 리튬의 석출·용출 과정에서 전극의 부피가 크게 변화해 수명이 빠르게 저하된다. 이러한 구조적 불안정성은 무음극 리튬금속전지의 상용화를 가로막는 주요 한계로 꼽혀왔다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 ▲니트릴부타디엔고무(NBR) ▲폴리아크릴로니트릴(PAN) ▲리튬이 도입된 실리카(Li–SiO₂) 나노입자를 결합한 전기방사 나노섬유 중간층을 개발했다.

이 중간층은 리튬 이온의 흐름을 균일하게 조절하는 동시에 충방전 시 발생하는 부피 변화와 기계적 응력을 흡수한다. 얇은 중간층 하나로 불균일한 리튬 석출과 전극 변형을 동시에 억제하도록 설계한 것이 이번 연구의 핵심이다.

연구팀은 실제 전지 적용성을 검증하기 위해 고용량 양극재를 적용한 파우치 셀을 제작했다. 실험 결과 100회 이상의 충방전 반복에도 안정적인 용량을 유지했으며, 높은 수준의 중량·부피 에너지 밀도를 구현해 차세대 무음극 리튬금속전지의 상용화 가능성을 입증했다.

삼성SDI와 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 게재됐다.


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