서강대학교 장지현 교수 교신저자 참여,

무음극(Anode-free) 소듐 전고체 배터리를 구현하기 위한 설계 원칙 제시

국제 저명 학술지인 Nature Energy 전문 게재 -

 ▲ 교신저자 서강대학교 화학과 장지현 교수 

   서강대학교(총장 심종혁) 화학과 장지현 교수가 교신저자로 참여한 최신 연구에서 무음극(anode-free) 소듐 전고체 배터리를 구현하기 위한 설계 원칙을 제시하였다. 해당 연구는 세계적으로 전고체전지 연구를 선도하는 美 시카고 대학의 Y. Shirley Meng 교수 연구팀과 함께 진행되었다.

최근, 무음극(anode-free) 배터리는 높은 에너지 밀도와 비용이 감소된 최적의 배터리 구조로 주목받고 있다. 그러나, 기존의 무음극 배터리는 액체 전해질 시스템에서의 덴드라이트 형성과 불안정한 고체-전해질 계면(SEI) 형성으로 인해 제한되어 왔다. 이번 연구에서는 전해질로 고체를 사용함으로써 안정적인 고체-전해질 계면(SEI)을 형성하였고, 스택 압력을 통해 밀도 높은 금속 음극을 형성하여 접촉 손실 및 셀 단락을 방지하였다.

▲ 탄소 음극, 합금 음극, 무음극 구성의 셀 개요도 및 다양한 압력에서 측정된 반쪽 셀의 전압 프로필 

▲ 무음극 전고체 배터리를 가능하게 하기 위한 네 가지 요구사항 

연구팀은 양극으로 NaCrO2와 halide 기반 고체전해질을 사용한 양극 복합체를, 고체전해질로 borohydride 기반 전해질을, 집전체로 알루미늄 펠렛을 사용하여 무음극 완전지를 제작하였다. 소듐 보로하이드라이드 물질은 전기화학적으로 안정하며 매우 dense한 특징을 지니기에, 소듐 덴드라이트의 침투를 억제함으로써 우수한 사이클 성능을 가능하게 하였으며, 7 mA/cm² 의 높은 임계 전류도 가능함을 확인하였다. 전고체 전지에서 매우 중요한 요소 중 하나가 구동 압력인데, 본 연구에서는 10MPa가 최적의 압력 조건이라는 것을 밝혔으며, 해당 셀은 93%의 초기 충·방전 효율과 99.96%의 높은 평균 충·방전 효율을 보여주었다. 또한, 400사이클 동안 70%의 높은 용량 유지율을 보여줌으로써 우수한 성능을 보였다.

이번 연구는 전기화학적으로 안정적인 고체 전해질과 적절한 스택 압력을 적용하여, 차세대 고속 충전 배터리로 나아가기 위한 중요한 설계 원칙을 제시하였다는 점, 그리고 저비용, 고에너지 밀도, 고속 충전 배터리를 실현하기 위한 다른 전지 소재에 대한 향후 방향을 제시하였다는 점에서 의의가 있다고 평가받는다.

▶ 논문링크 : https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9

▶ 논문제목 : Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery