리튬금속전지 덴드라이트 난제 상용수준으로 해결…비밀은 '주석 0.19원자%'

2분 공정으로 이온이동 속도 24배 빨라져…실험실서 900시간 안정작동 확인

차세대 전기차용 배터리로 주목받는 리튬금속전지 난제 하나가 상용화 수준으로 해결됐다. 덴드라이트 형성 자체를 원천 차단할 수 있는 기술이 개발된 것.

덴드라이트는 리튬 배터리 충·방전 과정에서 음극 표면에 쌓이는 나뭇가지 결정체다. 지속적으로 쌓여 성장하면서 배터리 수명 저하나 전해막을 찢어 전지 폭발을 초래한다.

그림 위는 실시간 광학현미경으로 관찰한 실시간 리튬 전착 거동 분석도. 기존 구리는 120분뒤 덴드라이트가 많이 쌓여있지만, SCN은 120분 뒤 덴드라이트 형성이 안보인다. 아래 그림은 구리표면과 SCN 계면 모식도 비교. 높은 이온 전도도가 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 원리를 나타냈다.이온이 빠르게 전극으로 이동하기 때문에 덴드라이트가 성장할 틈을 안준다. (그림=GIST)

광주과학기술원(GIST)은 차세대에너지연구소(소장 엄광섭 신소재공학과 교수) 연구팀이 짧은 전기 신호를 반복적으로 가해 전극 표면을 정밀하게 다듬는 방식(전기화학적 펄스 증착 공정)으로, 리튬금속전지 음극에서 리튬 이동과 안정성을 결정하는 표면(계면)을 단 2분 만에 형성하는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

이 기술 개발을 주도한 이창현 박사과정생(제1저자)은 "배터리 음극에서 전류를 전달하는 구리 표면에 주석(Sn) 극소량(0.19 원자%)을 머리카락보다 가는 나노와이어 전구체(SCN)에 넣어 나타나는 효과를 관찰한 것"이라며 "리튬 금속이 한쪽으로 뭉치지 않고 고르게 쌓일 수 있는 안정적인 계면을 빠르고 간단한 공정으로 구현할 수 있음을 입증했다"고 말했다.

이창현 박사과정생은 "리튬이온 속도가 빨라 이동 과정에서 한 눈 팔 틈도 없이 목적지(음극)로 바로 들어간다"며 "논문에서는 덴드라이트 '프리'라는 표현을 썼다. 이는 덴드라이트가 발생하지 않는 것을 말하는 것"이라고 설명했다.

상용화와 관련해서는 "현재 특허 출원을 준비중"이라고 조심스럽게 언급했다.

GIST 기술사업화센터 측은 공정 자체가 단순해 상용화 가능성을 염두에 둔 기술이전 등을 들여다보고 있다.

연구팀은 실험결과, 리튬 이온 이동 속도가 기존 구리 계면보다 약 24배 빨라 리튬금속전지에서 오래된 문제로 꼽혀 온 리튬이 고르게 쌓이지 않는 현상과 덴드라이트 성장이 아예 이루어지지 않았다고 설명했다.

연구팀은 이 구조(나노와이어 계면)를 적용한 배터리는 900시간 이상 안정적으로 작동했고, 리튬인산철(LFP) 양극을 적용한 실제 배터리 시험에서도 약 1시간 이내에 충·방전이 이뤄지는 고속 조건(1.0C)에서 480회 사용 후에도 초기 용량의 98.2%를 유지했다고 부연 설명했다.

GIST 엄광섭 신소재공학과 RY수(왼쪽)와 이창현 박사과정생이 실험 결과를 분석 중이다.(사진=GIST)

엄광섭 교수(교신저자)는 “이번 연구는 리튬금속전지 상용화의 가장 큰 난제로 꼽혀 온 덴드라이트 형성 문제를 리튬 음극 전기화학적 계면 설계만으로 효과적으로 해결할 수 있음을 입증했다는 점에서 의미가 크다”며, “2분 이내에 구현 가능한 간단한 공정으로도 고속 충전과 긴 수명 을 동시에 확보할 수 있어, 기존 배터리 제조 공정에 바로 적용할 수 있는 실용적 기술”이라고 말했다.

연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업 지원을 받았다. 연구 결과는 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈'에 온라인으로 게재됐다.