고려대, 알루미늄 이차전지 조기 고장 원인 찾아 효율·안정성 높였다

△염소가 도핑된 폴리프로필렌 분리막을 사용하였을 때 염소 이온의 빠른 이동 특성을 나타내는 이미지

기존 알루미늄 이차전지의 기술적 한계를 극복하고 차세대 이차전지 상용화를 앞당길 토대가 마련됐다. 고려대학교(총장 김동원) KU-KIST융합대학원 윤영수 교수팀이 알루미늄 이차전지 고성능 전극 및 박막 분리막 설계 기술을 개발했다.

에너지 저장 기술은 스마트폰, 전기자동차 등 사회 전반에 폭넓게 쓰이는 필수 요소다. 특히 알루미늄 이차전지는 지구상 매장량이 풍부하고 용량이 크다는 점에서 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 하지만 실제 구동 과정에서 전극이 갑자기 합선되어 셀이 고장 나는 문제가 발생한다. 이를 막기 위해 두꺼운 분리막을 사용하다 보니 에너지 및 출력 밀도가 크게 감소하는 한계가 있었다.

연구팀은 이론 계산을 바탕으로 한 실험을 통해 합선 문제의 근본 원인을 밝혀냈다. 알루미늄이 증착되는 과정에서 염소 이온이 원활하게 이동하지 못할 경우, 반응 생성물이 수평으로 고르게 퍼지지 못하고 전극 주변에 국소적으로 축적됐다. 즉, 알루미늄이 수직 방향으로 뾰족하게 성장하면서 분리막을 훼손하고 전지 내부의 합선을 유발하는 것이다. 

  *증착: 전해액 속의 이온들이 전극 표면에 달라붙어 다시 고체 막으로 변하며 에너지를 저장하는 과정. 

이에 연구팀은 알루미늄이 내부 공간에 균일하게 저장될 수 있도록 ‘3차원 나노구조 탄소 전극(3D-GCE)’ 구조를 설계했다. 동시에 분리막 표면에 염소를 도핑한 ‘염소 도핑 폴리프로필렌 분리막(Cl-PP)’을 도입해 염소 이온의 이동 속도를 비약적으로 높였다. 이러한 통합 설계를 통해 알루미늄이 뾰족하게 성장하는 현상을 억제하고, 전극 내부에서 안정적으로 반응하도록 유도했다. 

그 결과, 기존보다 10배 이상 얇은 분리막을 사용하고도 약 8.2mAh/cm⁻²의 높은 면적 용량과 500회 이상의 안정적인 수명을 확보했다. 이는 알루미늄 이차전지의 고질적 문제인 조기 고장과 낮은 용량 활용도를 동시에 해결한 성과다. 연구팀은 “향후 고에너지 밀도와 안전성을 모두 갖춘 차세대 알루미늄 이차전지의 상용화를 앞당길 중요한 기술적 토대가 될 전망”이라고 밝혔다. 

본 연구 성과는 국제 학술지인 ‘InfoMat(IF: 22.3)’ 온라인에 3월 30일 게재됐다.

  *논문명: Suppressing Vertical Aluminum Growth via Accelerated Interfacial Cl⁻ Dynamics for High-Areal-Capacity, Long-Life Aluminum Metal Anodes

  *DOI: doi.org/10.1002/inf2.70113

  *URL: https://doi.org/10.1002/inf2.70113

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

△(왼쪽부터) KU-KIST 융합대학원 허영훈 석박사 통합과정(제1저자), 고려대 KU-KIST 융합대학원 윤영수 교수(교신저자)