경상국립대 이윤기·김현우 교수팀, 전고체 리튬-황전지 급속충전 한계와 해법 제시
경상국립대 이윤기·김현우 교수팀, 전고체 리튬-황전지 급속충전 한계와 해법 제시
- 이온전도·폴리설파이드 이동·계면 불안정·리튬 덴드라이트 복합 분석
- 고에너지·고출력 전지를 위한 다기능 고분자 전해질 설계 전략 제안
- 국제학술지 《Advanced Science》 발표
경상국립대학교(총장 권진회)는 공과대학 신소재공학부 세라믹공학전공 이윤기·화학공학과 김현우 교수 연구팀이 고분자 전해질 기반 전고체 리튬-황전지의 급속충전을 제한하는 핵심 요인을 분석하고, 고에너지·고출력 전지 구현을 위한 설계 전략을 제시했다고 밝혔다.
리튬-황전지는 황의 높은 이론 용량과 낮은 원가로 차세대 고에너지밀도 전지로 주목받고 있다. 특히 액체전해질 대신 고분자 고체전해질을 적용하면 안전성과 전극 접촉성을 높일 수 있다. 하지만 급속충전 조건에서는 낮은 리튬이온 전도도와 전달 횟수, 폴리설파이드 셔틀, 높은 계면 저항, 리튬 덴드라이트 성장 등이 복합적으로 발생해 전지의 출력과 수명을 떨어뜨린다.
폴리설파이드 셔틀은 충방전 과정에서 생성된 황 화합물이 양극과 음극 사이를 이동하며 활성물질을 소모하는 현상이다. 리튬 덴드라이트는 리튬이 나뭇가지 형태로 불균일하게 성장하는 현상으로, 내부 단락과 안전성 저하를 일으킬 수 있다.
연구팀은 최근 발표된 관련 연구를 종합해 고분자 분자구조, 복합전해질 제조, 전극–전해질 계면 안정화, 덴드라이트 억제 기술을 체계적으로 분석했다.
분석 결과, 고분자 전해질은 상온에서 리튬이온 이동성이 낮아 고전류 조건에서 농도 분극과 과전압이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 고분자 사슬은 리튬이온 이동을 돕지만, 폴리설파이드의 용해와 이동을 촉진해 계면 부반응과 덴드라이트 성장을 유발할 수 있다.
연구팀은 이를 해결하는 방안으로 ▲고분자의 비정질 영역 확대 ▲세라믹 나노와이어·나노필러를 활용한 이온전도 경로 형성 ▲단일이온 전도성 고분자 도입 ▲불소계 계면층과 자가치유 고분자를 활용한 계면 안정화 ▲3차원 프린팅 기반 세라믹 복합전해질 제조 등을 제시했다.
특히 상온에서 10⁻³ S cm⁻¹ 이상의 이온전도도와 0.6 이상의 리튬이온 전달 횟수를 확보하면서, 폴리설파이드 이동을 차단하고 리튬이 균일하게 쌓이도록 하는 다기능 전해질 설계가 중요하다고 강조했다.
또한 전고체 리튬-황전지의 상용화를 위해서는 이온전도성뿐만 아니라 기계적 강도, 계면 안정성, 제조공정성, 전해질 박막화, 높은 황 함량 조건을 함께 충족해야 한다고 설명했다. 계산화학과 분자동역학, 밀도범함수이론, 위상장 모델링 등을 활용해 고분자 구조와 계면 반응을 사전에 예측하는 연구도 필요하다고 제안했다.
공동교신저자인 이윤기 교수는 “앞으로의 고분자 전해질은 높은 이온전도도와 함께 폴리설파이드 차단, 계면 자가적응, 기계적 보강 기능을 갖춘 다기능 구조로 발전해야 한다”라며 “이번 연구가 전기차와 드론, 피지컬 인공지능, 우주항공 등에 필요한 차세대 전고체전지 설계에 유용한 지침이 되기를 기대한다”라고 말했다.
공동교신저자인 김현우 교수는 “급속충전을 제한하는 요인과 해결 전략을 체계적으로 정리했다”라며 “향후 소재 개발과 계산화학, 계면공학 연구를 연계하는 학술적 기반이 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제학술지 《Advanced Science》에 2026년 5월 13일 발표됐다. 논문명: Toward Fast-Charging Polymer-Electrolyte Based All-Solid-State Li–S Batteries: Insights into Limiting Factors and Perspectives
사진 설명: 경상국립대학교 이윤기·김현우 교수 연구팀. 왼쪽부터 S. Jayasubramaniyan 박사후연구원, 이윤기 교수, 김현우 교수.
내용 문의: 경상국립대학교 화학공학과 김현우 교수 전화 055-772-1784
- 이온전도·폴리설파이드 이동·계면 불안정·리튬 덴드라이트 복합 분석
- 고에너지·고출력 전지를 위한 다기능 고분자 전해질 설계 전략 제안
- 국제학술지 《Advanced Science》 발표
경상국립대학교(총장 권진회)는 공과대학 신소재공학부 세라믹공학전공 이윤기·화학공학과 김현우 교수 연구팀이 고분자 전해질 기반 전고체 리튬-황전지의 급속충전을 제한하는 핵심 요인을 분석하고, 고에너지·고출력 전지 구현을 위한 설계 전략을 제시했다고 밝혔다.
리튬-황전지는 황의 높은 이론 용량과 낮은 원가로 차세대 고에너지밀도 전지로 주목받고 있다. 특히 액체전해질 대신 고분자 고체전해질을 적용하면 안전성과 전극 접촉성을 높일 수 있다. 하지만 급속충전 조건에서는 낮은 리튬이온 전도도와 전달 횟수, 폴리설파이드 셔틀, 높은 계면 저항, 리튬 덴드라이트 성장 등이 복합적으로 발생해 전지의 출력과 수명을 떨어뜨린다.
폴리설파이드 셔틀은 충방전 과정에서 생성된 황 화합물이 양극과 음극 사이를 이동하며 활성물질을 소모하는 현상이다. 리튬 덴드라이트는 리튬이 나뭇가지 형태로 불균일하게 성장하는 현상으로, 내부 단락과 안전성 저하를 일으킬 수 있다.
연구팀은 최근 발표된 관련 연구를 종합해 고분자 분자구조, 복합전해질 제조, 전극–전해질 계면 안정화, 덴드라이트 억제 기술을 체계적으로 분석했다.
분석 결과, 고분자 전해질은 상온에서 리튬이온 이동성이 낮아 고전류 조건에서 농도 분극과 과전압이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 고분자 사슬은 리튬이온 이동을 돕지만, 폴리설파이드의 용해와 이동을 촉진해 계면 부반응과 덴드라이트 성장을 유발할 수 있다.
연구팀은 이를 해결하는 방안으로 ▲고분자의 비정질 영역 확대 ▲세라믹 나노와이어·나노필러를 활용한 이온전도 경로 형성 ▲단일이온 전도성 고분자 도입 ▲불소계 계면층과 자가치유 고분자를 활용한 계면 안정화 ▲3차원 프린팅 기반 세라믹 복합전해질 제조 등을 제시했다.
특히 상온에서 10⁻³ S cm⁻¹ 이상의 이온전도도와 0.6 이상의 리튬이온 전달 횟수를 확보하면서, 폴리설파이드 이동을 차단하고 리튬이 균일하게 쌓이도록 하는 다기능 전해질 설계가 중요하다고 강조했다.
또한 전고체 리튬-황전지의 상용화를 위해서는 이온전도성뿐만 아니라 기계적 강도, 계면 안정성, 제조공정성, 전해질 박막화, 높은 황 함량 조건을 함께 충족해야 한다고 설명했다. 계산화학과 분자동역학, 밀도범함수이론, 위상장 모델링 등을 활용해 고분자 구조와 계면 반응을 사전에 예측하는 연구도 필요하다고 제안했다.
공동교신저자인 이윤기 교수는 “앞으로의 고분자 전해질은 높은 이온전도도와 함께 폴리설파이드 차단, 계면 자가적응, 기계적 보강 기능을 갖춘 다기능 구조로 발전해야 한다”라며 “이번 연구가 전기차와 드론, 피지컬 인공지능, 우주항공 등에 필요한 차세대 전고체전지 설계에 유용한 지침이 되기를 기대한다”라고 말했다.
공동교신저자인 김현우 교수는 “급속충전을 제한하는 요인과 해결 전략을 체계적으로 정리했다”라며 “향후 소재 개발과 계산화학, 계면공학 연구를 연계하는 학술적 기반이 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제학술지 《Advanced Science》에 2026년 5월 13일 발표됐다. 논문명: Toward Fast-Charging Polymer-Electrolyte Based All-Solid-State Li–S Batteries: Insights into Limiting Factors and Perspectives
사진 설명: 경상국립대학교 이윤기·김현우 교수 연구팀. 왼쪽부터 S. Jayasubramaniyan 박사후연구원, 이윤기 교수, 김현우 교수.
내용 문의: 경상국립대학교 화학공학과 김현우 교수 전화 055-772-1784