DGIST, 리튬 금속 전지 수명 높일 음극 제조법 개발

상용 리튬 포일 대체할 고품질·박막 리튬 음극 제조 기술

DGIST(총장 국양)는 에너지공학과 이홍경 교수 연구팀이 리튬 금속 전지의 한계를 극복할 새로운 리튬 음극 제조법을 개발했다고 16일 밝혔다.

리튬을 음극으로 쓰는 리튬 금속 전지는 기존 흑연 소재보다 이론적으로 10배 높은 용량을 구현할 수 있다. 하지만 통상 리튬 포일을 사용하고 있어 생산 및 보관 과정에서 산화층을 형성한다. 이 때문에 리튬 표면 품질이 급격히 저하돼 충·방전 과정 중 나무가지 모양의 돌기인 리튬 덴드라이트가 성장해 화재나 폭발을 일으는 문제가 있다. 

이홍경 교수 연구팀은 리튬 포일을 대체할 제조 방법을 개발했다. 유사 고농도 전해질을 활용한 전해도금법으로 매끈하면서도 균일한 리튬 금속 음극을 제조하는 방법이다. 이렇게 만들어진 리튬 표면은 불소 기반 성분을 다량 함유해 전해질과의 반응성을 낮출 수 있고, 간단한 물리적 압착을 통해 빈틈없이 얇게 제조할 수 있다. 

이렇게 제조된 리튬 음극은 상용 리튬 포일에 비해 훨씬 매끈하고, 표면층의 화학 성분이 균일하다. 대면적 생산에도 유리하다.

상업용 리튬(M-Li)에 비해 균일하고 밀도 높게 리튬이 전착될 수 있는 전착 리튬(ED-Li) (자료=DGIST)

현재 쓰이는 리튬 포일의 표면층은 불안정한 물질인 탄산리튬(Li₂CO₃)을 과량 포함하고 있고 화학성분이 균일하지 않아 리튬이 불규칙하게 자라고, 전해질과 만날 때 문제를 일으킨다. 이 교수팀이 개발한 리튬 금속 음극은 '전해질 맞춤형' 표면층(ENL, Electro-native layer)을 형성해 전해질과 친화성이 높고 저항이 낮다. 이 때문에 전기화학 반응을 빠르고 균일하게 하여 산발적 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다. 방전 과정에서도 리튬이 매끄럽게 빠져나가서 전지 내부가 부드럽게 유지될 수 있다. 

이홍경 교수는 "본 연구를 통해 리튬 음극의 초기 표면 품질 개선만으로 리튬 금속 배터리의 수명을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것"이라며 "향후 표면 안정화 기술을 추가 도입해 리튬 금속 전지의 진정한 상용화를 앞당길 수 있었으면 한다"고 말했다.

이 연구는 한국연구재단의 '우수 신진 사업' 및 산업통상자원부 '나노융합 혁신제품 기술개발 사업' 등의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)'에 최근 게재됐다.