상온·저압에서 세계 최고 수준 에너지 밀도(1100 Wh/L) 달성
본 연구팀은 차세대 배터리의 핵심인 전고체전지의 에너지 밀도를 극대화하기 위해, 음극 활물질을 완전히 배제한 ‘무음극(Anode-less)’ 시스템을 도입하고 리튬 덴드라이트(수지상 결정) 성장을 원천 차단하는 혁신적인 전극 보호 기술을 개발했다.
연구팀이 고안한 핵심 기술은 230nm 두께의 초박막 ‘리튬-양친매성 이중층(Lithio-amphiphilic nanobilayer)’이다. 이 보호층은 리튬과 친화력이 높은 마그네슘(Mg)을 하단에, 반대로 리튬과 반발력이 강한 텅스텐(W)을 상단에 배치한 독창적인 이중 구조를 갖추고 있다.
이 기술은 하부의 마그네슘 층이 리튬의 균일한 증착을 유도하고, 상부의 텅스텐 층이 강한 계면 에너지를 이용해 리튬을 조밀하게 압착하는 원리로 작동한다. 이를 통해 전해질 층을 파고드는 덴드라이트의 성장을 효과적으로 억제하는 데 성공했다. 그 결과, 통상적으로 고온·고압 조건이 필수적이었던 기존 전고체전지의 한계를 극복하고, 상온(25°C) 및 낮은 구동 압력(2 MPa) 환경에서도 1100 Wh/L라는 세계 최고 수준의 부피당 에너지 밀도를 구현했다.
이번 성과는 전고체전지의 구동 환경 제약을 해결하고 에너지 밀도를 획기적으로 높임으로써, 상용화 시기를 앞당길 수 있는 핵심 설계 원리를 제시한 것으로 평가받는다.
논문: “Lithio-amphiphilic nanobilayer for high energy density anode-less all-solid-state batteries operating under low stack pressure”, Energy & Environmental Science, 17, 7932-7943 (2024)
DOI: 10.1039/D4EE03130J
