리튬 금속 전지 2천시간 더 쓴다···UNIST, 전극 특성 기술 개발

금속 플루오라이드 활용한 전극 공정 기술 개발

리튬을 음극재로 사용하는 리튬 금속 전지의 전극 표면 품질을 높이는 기술이 개발됐다. 전해질 첨가제가 아니라 전극 자체의 특성을 개선해 리튬 금속 전지의 특성을 높이려는 시도다. 

UNIST(총장 이용훈)는 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 금속 표면은 내화학성이 좋은 리튬 플루오라이드 보호층으로, 내부는 리튬 원자의 이동성이 향상된 리튬 합금으로 이루어진 전극 공정 기술을 개발했다고 25일 밝혔다. 

리튬 금속 전지는 기존 흑연 음극재보다 용량을 크게 높일 수 있만 충방전 과정에서 생기는 뾰족한 나뭇가지 모양의 리튬 침전물이 전지 분리막을 손상시켜 성능이 떨어지고 폭발 위험이 커지는 문제가 있다. 전해질이 갈라져 나와 전극 표면에 들러붙을 때 생기는 새로운 리튬 표면은 지속적으로 유기 전해질과 반응하며 리튬 전해질에 손실을 입힌다. 이로 인해 생기는 두꺼운 피막층도 배터리 성능을 떨어뜨린다. 

금속 플루오라이드 화합물 (MxFy)을 활용한 리튬 플루오라이드 피막층 및 내부 리튬 합금 형성 메커니즘 (자료=UNIST)

연구팀은 낮은 열처리 조건에서도 리튬과 활발히 반응하는 금속 플루오라이드의 성질을 활용했다. 이 과정에서 리튬 플루오라이드는 표면 보호층을 형성하면서 내부의 리튬 합금을 전해질로부터 보호할 수 있게 된다. 이 리튬 합금 전극은 전해질 첨가제가 포함된 전해질 시스템에서 구동할 때 기존 리튬 전극보다 약 2천 시간 이상 수명이 늘었다. 전해질 첨가제가 포함되지 않은 전해질 시스템에서도 700시간 이상 안정적으로 구동했다. 

현재 리튬 금속 전지에 대한 연구는 전해질을 개선해 리튬 금속 표면에 보호층을 형성하는 방식이 중심이다. 반면 연구팀은 투과전자현미경으로 배터리를 분석, 리튬 피막층이 균일하게 형성되지 않음을 확인하고 전극 차원에서도 보호층을 형성하는 접근을 택했다. 

제1저자인 김민호 UNIST 에너지공학과 박사후연구원은 "기존에 많이 고려되지 않았던 전해질 첨가제에 의한 리튬 표면 보호층의 불완전 형성을 완벽하게 보완하는 표면 개질 기술을 통해 리튬 금속 전지의 상용화를 위한 하나의 지표가 될 것"이라고 밝혔다. 

이 연구과는 울산과학기술원 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연계 신진후속 사업, 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 학술지 '나노레터스(Nano Letters)'에 최근 실렸다.