교육연구단 사업성과

• 논 문 저 자 : Hyeokjin Kwon, Hongsin Kim, Jeamin Hwang, Wonsik Oh, Youngil Roh, Dongseok Shin, Hee-Tak Kim*(교신저자)

• 논   문   명 : Borate-pyran lean electrolyte-based Li-metal batteries with minimal Li corrosion

• 게재학술지 : Nature Energy, 9(1), 57-69 (2024.01)

• 우   수   성 :

▶ IF : 60.1 / 주제랭킹 상위 0.3%

▶ FWCI : 15.49 (from Scopus)

▶ 인용횟수 : WoS=175, Google Scholar=197

▶ 국내외 언론 보도

리튬 금속 배터리(LMB)의 성능을 극대화하기 위해, 리튬 금속 전극의 리튬 석출 형태를 제어하는 액체 전해질의 개발이 필수적이다. 하지만 리튬 부식 문제는 여전히 해결되지 않은 과제로, 실제적인 LMB 구현을 위한 저농도 전해질 설계에 큰 장애물이 되고 있다. 실용적인 LMB는 전해질/용량(E/C) 비율이 2 g Ah−1 이하이어야 하며, 이를 달성하기 위해서는 새로운 전해질 시스템의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 리튬 부식 문제를 해결하기 위해 Borate–Pyran 기반 전해질을 개발하였다. 이를 통해 고니켈 계층산화물 양극(3.83 mAh cm−2)과 얇은 리튬(20 μm)을 사용한 LMB의 성능을 향상시키고자 하였다. 본 연구는 전해질-리튬 금속 전극 계면에서의 리튬 플루오라이드(LiF) 결정 구조 변화를 통해 전극 표면의 안정성을 극대화하는 것을 목표로 하였다.

Borate–Pyran 기반 전해질을 적용한 LMB는 기존 대형 LiF 결정체를 미세한 결정 또는 유리질 LiF로 전환시키는 것이 확인되었다. 이러한 변화는 고체 전해질 계면(SEI)의 전도성을 증가시키고, 전해질 분자의 침투를 억제하여 전극/전해질 계면의 안정성을 크게 향상시켰다.

Borate–Pyran 전해질을 사용한 LMB는 전지 전체 수준에서 초기 에너지 밀도 400 Wh kg−1 이상을 달성하였으며, E/C 비율이 1.92 g Ah−1에서 400회 사이클 동안 70%의 용량 유지율, 1.24 g Ah−1에서 350회 사이클 동안 73%의 용량 유지율, 0.96 g Ah−1에서 200회 사이클 동안 85%의 용량 유지율을 기록하였다.

본 연구에서 개발한 Borate–Pyran 기반 전해질은 리튬 금속 전극의 부식을 억제하고, 전극/전해질 계면의 안정성을 개선하여 고에너지 밀도 및 긴 수명을 가진 리튬 금속 배터리를 구현할 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 성과는 저농도 전해질을 사용하는 LMB에 크게 기여할 것이다.

<그림↓> Borate-Pyran 전해질의 설계 전략 및 리튬 음극 계면 제어 메커니즘

• 논 문 저 자 : Yaejun Baik, Seunghyuck Chi, Kyeongjin Lee, DongHwan Oh, Kyungho Lee, Minkee Choi*(교신저자)

• 논   문   명 : Electron and proton storage on separate Ru and BaO domains mediated by conductive low-work-function carbon to accelerate ammonia synthesis

• 게재학술지 : Nature Catalysis, 8(3), 248-256 (2025.03)

• 우   수   성 :
  ▶ IF : 44.6 / 주제랭킹 상위 0.3%
  ▶ FWCI : 8.95 (from Scopus)
  ▶ 인용횟수 : WoS=42, Google Scholar=52
  ▶ 국내 언론보도 : 연합뉴스, 조선일보 외 다수 보도

암모니아(NH3)는 비료, 화학 원료, 에너지 운반체 등 다양한 분야에서 필수적이며, 탄소중립 사회 실현을 위한 핵심 물질로 주목받고 있다. 그러나 현재 전 세계 암모니아 생산의 대부분을 차지하는 하버–보슈 공정은 723 K 이상의 고온, 15 MPa 이상의 고압 조건에서 진행되며, 화석연료 기반 수소를 사용해 전 세계 CO2 배출의 1.2% 이상을 차지하는 등 심각한 환경적 부담을 안고 있다. 이를 대체하기 위해 재생에너지와 결합 가능한 저온·저압 조건의 친환경 암모니아 합성이 활발히 연구되고 있으나, 질소 분자(N2)의 강한 삼중결합을 활성화하는 데 어려움이 있어 낮은 생산성이 주요 걸림돌로 지적되어 왔다.

본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 루테늄(Ru)과 강염기성 산화바륨(BaO)을 전도성 탄소 지지체로 연결해, 전자(e⁻)와 양성자(H⁺)를 분리 저장하는 ‘화학 축전기형 촉매’ 개념을 제시하였다. 반응 중 수소가 Ru에서 분해되면 전자와 양성자로 나뉘는데, H⁺는 BaO가 선택적으로 저장하고 e⁻는 전도성 탄소-루테늄 네트워크에 축적되어 Ru의 전자 밀도를 크게 향상시킨다. 이로써 질소 분자의 π-backdonation이 강화되어 삼중결합이 효과적으로 활성화되고, 동시에 수소 중독(H2 poisoning)이 억제되는 메커니즘을 확인하였다. 특히 다양한 탄소 소재 중에서도 낮은 일함수(work function)를 가진 질소 도핑 다중벽 탄소나노튜브(N-MWCNT)를 활용했을 때 가장 뛰어난 성능을 보였으며, 이는 기존 MgO 지지체 기반 Ru–Ba 촉매 대비 7.4배 높은 암모니아 생산성을 달성하였다.

또한 본 촉매는 장시간 반응에서도 구조적 안정성을 유지하여 우수한 내구성을 보였으며, BaO의 적절한 함량 조절을 통해 촉매 활성 포화 수준을 규명하였다. 이는 전도성 탄소 지지체의 전자 구조 조절이 촉매 성능을 지배하는 핵심 인자임을 밝혔으며, 궁극적으로 Ru–BaO/탄소 촉매가 재생에너지 기반 분산형 암모니아 합성 기술에 적용될 수 있는 가능성을 제시한다. 본 연구는 기존 촉매 설계의 한계를 넘어, 전자와 양성자를 분리 저장하는 새로운 전략을 통해 차세대 친환경 암모니아 합성 촉매 개발의 중요한 이정표를 마련하였다.

<그림↓> BaO-Ru/탄소 촉매의 전자와 양성자 분리/저장 및 질소
활성화 메커니즘을 나타낸 모식도

• 논 문 저 자 : Michael J. Lee, Junghun Han, Kyungbin Lee, Young Jun Lee, Byoung Gak Kim, Kyu-Nam Jung, Bumjoon J. Kim*(교신저자), Seung Woo Lee*

• 논   문   명 : Elastomeric Electrolytes for High-Energy Solid-State Lithium Batteries

• 게재학술지 : Nature, 601, 217-222 (2022.01)

• 우   수   성 :
  ▶ IF : 48.5 / 주제랭킹 상위 1.1%
  ▶ FWCI : 33.18 (from Scopus)
  ▶ 인용횟수 : WoS=706, Google Scholar=780
  ▶ 2022년 한국과학기술총연합회에서 선정한
      “올해의 10대 과학기술 뉴스”
  ▶ 국내외 언론보도 : 한국경제, 연합뉴스 외 다수 보도

본 연구에서는 매우 높은 이온 전도성과 높은 기계적 내구성을 모두 확보한 PCEE (plastic crystal-embedded elastomer)라는 고무형태의 전해질을 개발하였다. 기존에 존재하지 않는 새로운 개념의 고분자 기반 고체 전해질 개발하였고, 이를 통해 세계최고 수준의 고체전지를 구현하였다. 전기자동차의 급격한 성장으로 차세대 배터리가 주목받고 있으며, 화재 위험성이 없고 전기자동차의 주행거리를 획기적으로 향상시킬 수 있는 전고체전지의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구진은 매우 높은 이온전도성을 갖는 플라스틱 결정이 3차원적으로 연결된 엘라스토머 기반 전해질을 개발하여, 기존의 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 기반의 고분자 전해질에 비해 100배 정도 향상된 10-3 S/cm의 이온전도도를 가지며, 고무처럼 신축성이 우수하여 전지 충‧방전 시 안정성을 향상시키는 결과를 나타내었다. PCEE 전해질은 세계최고 수준의 에너지 밀도 (410Wh/kg 이상)를 구현하였으며, 연구의 우수성을 인정받아 국제 학술지 “Nature”에 2022년 1월 출판되었으며, “2022년 올해의 10대 과학기술 뉴스 (과총)”로 선정되었다. 이러한 본 연구의 결과는 전기자동차 배터리의 성능 및 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 break-through 기술로서, 전고체전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

<그림↓> 엘라스토머 기반 고체 전해질 모식도 및 개발된 전고체전지
성능 비교