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[사진. (왼쪽부터 시계방향) UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수, 신소재공학과 이홍경 교수, KAIST 신소재공학과 김일두 교수, 신소재공학과 서지연 박사과정생, UNIST 에너지화학공학과 김주영 박사, UNIST 에너지화학공학과 최승우 박사과정생]

 

신소재공학과 이홍경 교수는 UNIST 이현욱 교수 연구팀이 주도한 국제공동연구에 참여해 차세대 무음극 리튬금속전지(Anode-free Lithium Metal Battery) 분야의 메가리뷰 논문을 국제학술지 'ACS Nano'에 게재했다. 이번 논문은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 이차전지 국제공동연구 사업의 주요 성과로, 게재와 동시에 'ACS Editors' Choice'에 선정됐다.

 

이번 연구에는 우리 대학교와 UNIST, KAIST를 비롯해 미국 UT Austin, UCLA 등 한미 양국의 배터리 분야 연구자 50여 명이 참여했다. 연구진은 차세대 무음극 리튬금속전지의 핵심 난제를 종합적으로 정리하고, 향후 연구가 나아갈 방향을 체계적으로 제시했다.

 

리튬금속전지는 기존 흑연 음극 대신 리튬금속을 사용하는 차세대 전지로, 전기차(EV), 도심항공모빌리티(UAM), 항공우주 등에서 요구되는 초고에너지밀도 구현이 가능한 차세대 배터리로 주목받고 있다. 특히 별도의 리튬 음극 없이 양극의 리튬만으로 구동하는 무음극 리튬금속전지는 부피당 에너지밀도를 1,000Wh/L 이상까지 높일 수 있는 차세대 기술로 평가받는다. 하지만 충·방전 과정에서 리튬이 불균일하게 성장하거나 전기적으로 분리된 '비활성 리튬(Dead Lithium)'이 축적되면서 수명이 급격히 감소하는 문제가 실용화의 가장 큰 과제로 남아 있다.

[그림. 고에너지밀도 무음극 리튬금속 전지(AFLMBs) 연구 기술 발전 단계를 나타낸 모식도]

 

공동연구팀은 기존 연구가 리튬을 균일하게 전착(Plating)하는 기술 개발에 집중해 왔다면, 앞으로는 전착-탈착-회수를 하나의 순환 과정으로 바라봐야 한다고 제안했다. 이를 위해 리튬의 생성과 손실, 회수까지 포함하는 '리튬 인벤토리(Lithium Inventory) 관리' 관점을 중심으로 무음극 리튬금속전지 연구의 새로운 로드맵을 제시했다.

 

또한 연구진은 전착과 탈착의 효율을 높이는 것뿐 아니라, 충·방전 과정에서 발생하는 비활성 리튬을 다시 활용하는 회수 전략까지 포함한 자기회복형(Self-recovering) 무음극 리튬금속전지 개념을 소개하며, 이를 실현하기 위한 핵심 연구 방향을 제안했다. 이러한 접근은 제한된 리튬을 최대한 활용하는 차세대 리튬금속전지 연구의 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.

 

아울러 연구진은 리튬 활용도를 보다 객관적으로 평가하기 위한 새로운 지표와 함께, 전지 설계와 실험 조건을 표준화하기 위한 기준도 제안했다. 이를 통해 서로 다른 연구 결과를 보다 일관성 있게 비교·평가할 수 있는 기반을 마련하고, 차세대 무음극 리튬금속전지 연구의 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

 

연구 책임자인 UNIST 이현욱 교수는 "이번 ACS Nano 메가리뷰는 국내외 배터리 연구자들이 하나의 문제의식 아래 결집해 이뤄낸 성과"라며 "무음극 리튬금속전지 연구를 리튬 인벤토리 관리 관점에서 종합적으로 정리하고 향후 연구 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있다"고 말했다.

 

공동연구에 참여한 이홍경 교수는 "이번 연구를 계기로 한미 연구자 간 협력이 더욱 확대되고, 차세대 이차전지 분야에서 우리나라의 글로벌 연구 경쟁력을 높이는 계기가 되기를 기대한다"고 밝혔다.

 

KAIST 김일두 교수는 "리튬 손실 문제를 전지 시스템 전체 관점에서 바라보고 향후 연구 방향을 체계적으로 제시했다는 점에서 학술적 의미가 크다"고 말했다.

 

이번 성과는 정부가 추진해 온 이차전지 국제공동연구 사업을 통해 한미 연구진이 차세대 배터리 분야의 핵심 과제를 함께 정리하고 미래 연구 방향을 제시한 대표적인 사례다. 국내외 연구자들의 긴밀한 협력을 바탕으로 차세대 리튬금속전지 분야의 글로벌 학술 협력 기반을 더욱 강화했다는 점에서도 의미가 있다.