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김주현 교수팀, 새로운 복합분리막 개발을 통한 안전한 이차전지 개발 가능성 제시
- 등록일
- 2026-05-07 15:15
- 작성자
- 관리자
- 조회수
- 235
- 게시기간
- 2026-05-07 ~ 2031-05-31
김주현 교수팀이 리튬 이온 및 리튬 금속 전지의 안전성과 수명 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 개념의 복합분리막을 개발하며, 보다 안전한 이차전지 개발 가능성을 제시했다.
응용화학공학부 연구팀은 폴리이미드(polyimide, PI) 기반 분리막에 표면 산화된 탄소나노튜브(s-CNT)를 도입해 기계적 강도와 이온 전달 특성을 동시에 개선한 고안전성 복합분리막을 구현했다.
이번 연구에서는 비용매 유도 상분리(NIPS) 공정을 통해 CNT 함량을 임계치 이하로 정밀 제어함으로써 전기적 절연 특성을 유지하면서도 인장 강도를 약 92% 향상시키는데 성공했다. 이를 통해 기존보다 더 얇고 안정적인 분리막 구현 가능성을 확인했다.
또한, 표면 산화된 CNT에 의해 형성된 음전하 표면은 이온 전달수 증가와 균일한 이온 플럭스를 유도해 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제했으며, 장기 사이클 안정성과 낮은 분극 특성도 동시에 향상시켰다. 아울러, 해당 분리막은 고온 및 과충전 조건에서도 우수한 안정성을 보였으며, 풀셀 평가에서도 향상된 성능을 나타내며 상용화 가능성을 입증했다.
김주현 교수는 “이번 연구는 분리막의 기계적 강화와 표면전하 기반 이온 전달 제어를 동시에 구현한 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있으며, 이를 통해 전지의 안전성과 성능을 동시에 향상시킬 수 있음을 입증했다”고 설명했다.
이번 연구는 응용화학공학부 우수정 박사과정생이 제1저자로 참여해 분리막 설계부터 전기화학적 성능 검증까지 연구 전반을 주도적으로 수행했다, 연구 성과는 소재 분야 세계적 권위의 국제학술지인 Advanced Functional Materials에 2026년 4월 게재됐으며, 저널의 Back Cover 논문으로도 선정돼 우수성을 인정받았다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발(R&D) 사업의 지원을 받아 수행됐다.
*Title of original paper: Abuse-Tolerant Separator Enabled by Surface Charge Modulation and Structural Reinforcement for High-Safety Lithium-Ion Batteries
*Abstract
The growing demand for high-energy lithium-ion batteries for electric vehicles has highlighted battery safety as a critical challenge. While polyimide (PI) separators provide superior thermal stability and electrolyte wettability compared to conventional polyolefin separators, their practical application is limited by insufficient mechanical robustness. Herein, an abuse-tolerant separator (ATS) is fabricated by integrating PI with surface-oxidized carbon nanotubes (s-CNTs) via non-solvent induced phase separation while maintaining the s-CNT content below the percolation threshold to prevent conductive network formation. The tensile strength of the resulting ATS is increased by ∼92%, enabling a thinner separator without compromised safety. Partial surface oxidation of the CNTs introduces negative surface charges, thereby increasing the Li-ion transference number from 0.39 to 0.47, promoting uniform ion transport, and suppressing dendrite growth. Consequently, ATS-based Li||Cu and Li||Li cells exhibit substantially improved cycling stability, retaining a CE of 69.6% after 200 cycles and maintaining lower polarization throughout long-term cycling, respectively. Moreover, NCM||Graphite full cells with an inverted N/P ratio further verify the efficacy of the ATS in promoting safer and more reliable practical battery performance. This approach provides an effective strategy for protecting the battery from internal and external stresses while improving its practical energy density via reduced separator volume.
*Journal: Advanced Functional Materials
*Web Link: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202529000
<사진 왼쪽부터 우수정 박사과정생, 김주현 교수, Back Cover지>
응용화학공학부 연구팀은 폴리이미드(polyimide, PI) 기반 분리막에 표면 산화된 탄소나노튜브(s-CNT)를 도입해 기계적 강도와 이온 전달 특성을 동시에 개선한 고안전성 복합분리막을 구현했다.
이번 연구에서는 비용매 유도 상분리(NIPS) 공정을 통해 CNT 함량을 임계치 이하로 정밀 제어함으로써 전기적 절연 특성을 유지하면서도 인장 강도를 약 92% 향상시키는데 성공했다. 이를 통해 기존보다 더 얇고 안정적인 분리막 구현 가능성을 확인했다.
또한, 표면 산화된 CNT에 의해 형성된 음전하 표면은 이온 전달수 증가와 균일한 이온 플럭스를 유도해 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제했으며, 장기 사이클 안정성과 낮은 분극 특성도 동시에 향상시켰다. 아울러, 해당 분리막은 고온 및 과충전 조건에서도 우수한 안정성을 보였으며, 풀셀 평가에서도 향상된 성능을 나타내며 상용화 가능성을 입증했다.
김주현 교수는 “이번 연구는 분리막의 기계적 강화와 표면전하 기반 이온 전달 제어를 동시에 구현한 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있으며, 이를 통해 전지의 안전성과 성능을 동시에 향상시킬 수 있음을 입증했다”고 설명했다.
이번 연구는 응용화학공학부 우수정 박사과정생이 제1저자로 참여해 분리막 설계부터 전기화학적 성능 검증까지 연구 전반을 주도적으로 수행했다, 연구 성과는 소재 분야 세계적 권위의 국제학술지인 Advanced Functional Materials에 2026년 4월 게재됐으며, 저널의 Back Cover 논문으로도 선정돼 우수성을 인정받았다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발(R&D) 사업의 지원을 받아 수행됐다.
*Title of original paper: Abuse-Tolerant Separator Enabled by Surface Charge Modulation and Structural Reinforcement for High-Safety Lithium-Ion Batteries
*Abstract
The growing demand for high-energy lithium-ion batteries for electric vehicles has highlighted battery safety as a critical challenge. While polyimide (PI) separators provide superior thermal stability and electrolyte wettability compared to conventional polyolefin separators, their practical application is limited by insufficient mechanical robustness. Herein, an abuse-tolerant separator (ATS) is fabricated by integrating PI with surface-oxidized carbon nanotubes (s-CNTs) via non-solvent induced phase separation while maintaining the s-CNT content below the percolation threshold to prevent conductive network formation. The tensile strength of the resulting ATS is increased by ∼92%, enabling a thinner separator without compromised safety. Partial surface oxidation of the CNTs introduces negative surface charges, thereby increasing the Li-ion transference number from 0.39 to 0.47, promoting uniform ion transport, and suppressing dendrite growth. Consequently, ATS-based Li||Cu and Li||Li cells exhibit substantially improved cycling stability, retaining a CE of 69.6% after 200 cycles and maintaining lower polarization throughout long-term cycling, respectively. Moreover, NCM||Graphite full cells with an inverted N/P ratio further verify the efficacy of the ATS in promoting safer and more reliable practical battery performance. This approach provides an effective strategy for protecting the battery from internal and external stresses while improving its practical energy density via reduced separator volume.
*Journal: Advanced Functional Materials
*Web Link: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202529000
<사진 왼쪽부터 우수정 박사과정생, 김주현 교수, Back Cover지>
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