(왼쪽부터)김주형 교수, 이상준 박사과정, 이동박 연구원.(사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교는 대학원 나노신소재융합공학과 및 공과대학 나노·신소재공학부(세라믹공학전공) 소속 김주형 교수(그린에너지융합연구소 전지연구센터장), 이윤기 교수, 류경희 교수 공동연구팀이 산소화 계면(oxygenated interface)을 도입한 확장 가능한 3차원 니켈 구조체 기반 음극을 개발해, 리튬 금속 전지의 안정성과 수명 특성을 크게 개선하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

리튬 금속은 높은 이론 용량과 낮은 전위 덕분에 차세대 에너지 저장장치의 유망한 음극 소재로 주목받고 있다. 그러나 실제 구동 과정에서 발생하는 덴드라이트(dendrite) 성장은 내부 단락을 유발하고 화재나 폭발 위험을 높여, 리튬 금속 전지의 상용화에 큰 걸림돌이 돼 왔다.

김주형 교수 연구팀이 개발한 산소화 계면 니켈 구조체 음극은 균일한 리튬 이온 분포를 유도하는 동시에 전극의 기계적 안정성을 높였다. 특히 다공성 니켈 구조체는 리튬이 전극 내부에 고르게 침착되도록 돕고, 산소화된 표면은 리튬 친화성(lithiophilicity)을 향상시켜 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제한다. 이로써 장시간 사이클링 조건에서도 안정적인 성능을 구현할 수 있다.

무엇보다 이번 성과는 소규모 실험실 수준을 넘어 대면적 전극 제조에도 그대로 적용할 수 있는 확장성(scalability)을 확보했다는 점에서 주목된다. 연구팀은 이러한 기술적 강점이 리튬 금속 전지의 실용화와 상용화 가속화에 기여할 것으로 기대한다고 전했다.

연구 성과는 우수성을 인정받아 엘스비어(Elsevier)에서 발행하는 이차전지 소재 분야 우수 SCIE 학술지인 《저널 오브 에너지 케미스트리(Journal of Energy Chemistry)》(I.F. 14.9, JCR Rank 상위 2.0%)에 게재됐다.

이번 연구는 2025년도 산업통상자원부 산업혁신인재성장지원사업(이차전지소재·셀제조산업 전문인력양성) 및 2022년도 한국연구재단 신진연구지원사업의 지원을 받았으며, 김주형 교수팀의 이상준 박사과정, 이동박 연구원이 공동1저자로 연구에 참여했다.