리튬금속전지 고질병 '덴드라이트', 3차원 설계로 해결

GIST 연구팀, 완충 12분· 주행 2배 늘어…공정도 단순 대면적 제조도 가능

국내 연구진이 리튬금속전지의 고질적인 문제인 '덴드라이트' 현상을 원천적으로 막을 수 있는 제조 기술을 개발했다.  배터리 완충도 12분이면 가능했다.

광주과학기술원(GIST)은 엄광섭 차세대에너지연구소(소장, 신소재공학과 교수) 연구팀이 고분자를 표면에 입힌 3차원 구조체로 리튬금속전지 충전 속도와 안정성을 향상시키는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

GIST 리튬금속전지 연구팀. 엄광섭 차세대에너지연구소장(왼쪽)과 조진현 박사.(사진=GIST)

차세대 배터리로 주목받는 리튬금속전지는 기존 리튬이온전지보다 이론적으로 약 2배 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있지만, 충·방전 과정에서 리튬이 음극 표면에 고르게 쌓이지 않고 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라는 ‘리튬 수지상 결정(덴드라이트)'이 발생한다.

덴드라이트는 배터리 내부 분리막을 뚫어 양극과 음극이 직접 닿아 전기가 한꺼번에 흐르는 ‘단락’ 현상을 유발하고, 부피 팽창으로 배터리 수명과 안전성을 저하시킨다.

연구팀은 리튬이 쌓이는 위치와 방식이 배터리 성능을 좌우한다는 점에 주목하고, 리튬이 구조체 내부에서부터 균일하게 쌓이도록 유도하는 3차원 구조체를 설계했다.

이러한 구조는 전류 흐름을 조절해 리튬이 아래쪽부터 ‘바텀업’ 방식으로 차곡차곡 쌓이도록 유도, 덴드라이트 형성과 부피 팽창을 동시에 억제한다.

이같은 방법으로 연구팀이 제작한 리튬금속전지는 12분이면 완전 충전 가능하다. 기존 구조에서는 어려웠던 고속 충전 조건(5C, 약 12분 충전)에서도 안정적인 성능을 확보했다.

기존 다공성 구조체가 약 80회 충·방전 이후 성능이 급격히 저하되는 반면, 연구팀이 설계한 구조는 200회 이상 반복 사용 후에도 초기 용량의 94.7%를 유지했다.

엄광섭 교수는 “리튬금속전지의 고질적인 문제로 지적돼 온 충·방전 과정에서의 덴드라이트 형성과 그로 인한 부피 팽창 문제를 동시에 해결할 수 있는 구조적 해법을 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.

연구 결과는 재료과학 에너지 분야 국제학술지 '에너지 앤 인바이런멘탈 머티어리얼즈'에 온라인으로 게재됐다.