고려대학교가 알루미늄 이차전지의 조기 고장 원인을 규명하고 성능을 개선하는 기술을 개발했다.

고려대 KU-KIST융합대학원 윤영수 교수 연구팀은 알루미늄 이차전지의 합선 원인을 밝혀내고, 이를 해결할 전극·분리막 통합 설계 기술을 제시했다고 밝혔다.

알루미늄 이차전지는 매장량이 풍부하고 용량이 큰 차세대 배터리로 주목받고 있지만, 충·방전 과정에서 전극이 갑자기 합선되며 고장이 발생하는 문제가 있었다. 이를 방지하기 위해 두꺼운 분리막을 사용하면 에너지 밀도와 출력이 떨어지는 구조적 한계가 있었다.

연구팀은 합선의 근본 원인이 알루미늄 증착 과정에서의 이온 이동 불균형에 있다는 점을 확인했다. 염소 이온 이동이 원활하지 않을 경우 반응 생성물이 특정 지점에 집중되며, 알루미늄이 수직 방향으로 뾰족하게 성장해 분리막을 손상시키고 내부 단락을 유발하는 구조다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 △알루미늄이 균일하게 저장되도록 하는 ‘3차원 나노구조 탄소 전극(3D-GCE)’ △염소 이온 이동을 촉진하는 ‘염소 도핑 폴리프로필렌 분리막(Cl-PP)’을 결합한 통합 설계를 적용했다.

이 설계는 알루미늄의 비정상적 성장(덴드라이트 형성)을 억제하고 전극 내부에서 안정적인 반응을 유도하는 데 핵심 역할을 했다.

그 결과 기존 대비 10배 이상 얇은 분리막을 사용하면서도 약 8.2mAh/㎠의 높은 면적 용량과 500회 이상의 안정적 충·방전 수명을 확보했다.

연구팀은 “조기 고장과 낮은 용량 활용도 문제를 동시에 해결한 성과”라며 “고에너지 밀도와 안전성을 갖춘 알루미늄 이차전지 상용화의 기반 기술이 될 것”이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘InfoMat’에 게재됐다.