특허 개요
본 특허는 리튬이 쌓이는 구리 집전체를 나노 구조로 설계하고 MXene을 코팅한 무음극 리튬 메탈 배터리 및 제조기술입니다. SSL(soft/sputtering lithography) 공정으로 직경 200～400nm, 높이 80～120nm의 속이 빈 원통형 Cu 패턴을 형성하고, 그 위에 1～10nm 두께의 Ti3C2Tx MXene 박막을 코팅합니다. 나노 원통 구조는 리튬 전착 위치를 유도하며, MXene의 -F·-O 작용기는 리튬 친화적인 LiF/Li2O-풍부 SEI(전극과 전해질 사이 보호층) 형성과 Li+ 플럭스 제어에 기여합니다.
- 핵심 기능
충전 시 양극에서 이동한 리튬이 나노 원통형 Cu 집전체와 MXene 표면을 따라 전착되도록 유도하고, 이후 형성된 SEI가 전극·전해질 계면을 보호합니다. 제조 과정에서는 리튬 금속을 전착해 SEI를 형성한 뒤 리튬 금속을 제거하고, 양극과 금속 집전체를 적층해 음극활물질이 없는 셀 구조를 구성합니다.
- 차별 강점
일반 Cu 집전체 기반 무음극 셀은 리튬 핵생성 과전압, 불균일 전착, 데드 리튬 및 덴드라이트 성장으로 계면 안정성이 저하될 수 있습니다. 본 기술은 나노 패턴 Cu의 구조적 전착 유도와 MXene 표면 작용기의 계면 조성 제어를 결합해, LiF-풍부 SEI 형성 및 균일한 리튬 성장 방향을 제시합니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 무음극 리튬 메탈 풀셀, 리튬 금속 전지용 집전체, 전극·전해질 계면 소재 및 고에너지밀도 이차전지 연구에 활용 가능합니다. 사업 측면에서는 전기자동차용 고에너지밀도 배터리, NCM811 기반 배터리 및 차세대 리튬 금속 전지용 집전체·코팅 소재로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
Bare Cu, SSL Cu 및 MXene-SSL Cu 집전체를 대상으로 하프셀과 무음극 풀셀을 비교 평가해 핵생성 과전압, 전압 히스테리시스, 쿨롱 효율 및 용량 유지 특성을 확인했습니다. 다만 대면적 집전체 제조의 수율·재현성, 장기 수명 및 실제 셀 환경에서의 안정성은 추가 검증이 필요합니다.
- 평가 셀: Bare Cu, SSL Cu, MXene-SSL Cu 집전체를 적용한 하프셀 및 무음극 리튬 메탈 풀셀
- 비교군: Cu 및 SSL Cu 집전체 대비 MXene-SSL Cu 집전체
- 구동 조건: 하프셀 0.5 mA/cm²·5 mAh/cm², 풀셀 NCM811 양극 4 mAh/cm² 및 4M LiFSI/DME 전해질
현재 성과
NCM811 기반 무음극 풀셀에서 MXene-SSL Cu 적용 셀의 125 사이클 용량 유지율은 44.2%였고, 용량은 78.1 mAh/g으로 제시되었습니다. 동일 평가에서 Bare Cu와 SSL Cu 집전체를 적용한 셀과 비교해 용량 저하 억제 효과가 확인되었습니다.
NCM811//4M LiFSI DME//Cu 무음극 풀셀에서 양극 4 mAh/cm², 전해질 4 μL/mAh 조건으로 화성 및 충·방전 평가를 수행했습니다. 125 사이클 평가에서 MXene-SSL Cu 적용 셀의 쿨롱 효율은 99.06%로 제시되었으며, 하프셀과 풀셀 비교 평가를 함께 수행했습니다.
1M LiPF6 in EC/DEC+10% FEC 전해질 하프셀에서 MXene-SSL Cu의 핵생성 과전압은 105.04mV로 제시되었습니다. 동일 조건의 Cu 205.33mV 및 SSL Cu 287.90mV와 비교한 결과로, 나노 패턴 집전체와 MXene 박막을 결합해 리튬 핵생성 거동을 제어하는 점이 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 나노 패턴 Cu 집전체 제조 공정의 수율 및 재현성 검증
MXene 박막 코팅과 나노 패턴 형성 공정의 양산 적합성 및 공정 균일성 확보
장기 충·방전 수명과 실제 셀 환경에서의 계면 안정성·안전성 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
무음극 리튬 메탈 배터리 및 이의 제조방법
10-2024-0121499 (2024.09.06)
1020260035495 (2026.03.13)
미등록 (심사 중)
이진우 (한국과학기술원), 정희태 (한국과학기술원), 김진욱 (한국과학기술원), 정현주 (한국과학기술원), 이용희, 김은지, 박윤창, 박경진, 김경태, 장성진
한국과학기술원
한국과학기술원