광주과학기술원(GIST)은 엄광섭 신소재공학부 교수팀이 고에너지 리튬금속전지의 고질적인 수지상 결정 문제를 해결하고 충·방전 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.
일반적으로 인공 고체 전해질 계면(SEI) 층을 음극 표면에 증착시키기 위해서는 화학기상증착법(CVD)이나 플라즈마 활용한 물리기상증착법(PVD)을 주로 사용한다. 이러한 방법은 비용이 많이 소요된다. 균일침전법의 경우에는 최소 1시간에서 최대 12시간 이상의 처리 시간이 필요하다.
연구팀은 전기화학 증착법(CELD)으로 나노와이어 형태의 복합체를 8분 만에 음극에 형성해 다중 무기 고체 전해질 계면(SEI) 층을 구현했다. CELD으로 단 8분 만에 구리-티오우레아 나노와이어 복합체를 구리 집전체에 적용해 리튬금속전지의 고질적 문제인 리튬 덴드라이트(수지상 성장) 형성을 억제하고, 충방전 성능과 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 방법을 제시했다.
이 과정에서 생성된 다중 무기 고체 전해질 계면 층은 리튬의 균일한 전착을 유도하며, 리튬의 확산을 원활하게 해 전지의 긴 수명을 보장한다.
특히 기존 리튬금속전지보다 2.2배 낮은 고체 전해질 계면저항과 약 7배 높은 리튬 이온 확산 속도를 보여 리튬금속전지의 충·방전 성능을 획기적으로 향상시키는 것으로 나타났다. 리튬금속전지의 대칭셀 수명을 1000시간 이상 연장시켰으며, 리튬인산철(LFP) 양극 기반의 완전셀에서는 초기 140 사이클에서 용량 보유율이 30% 향상됐다.
엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 현재 리튬금속전지가 상용화되지 못하는 데 걸림돌이 되고 있는 불균형한 덴드라이트 형성의 문제를 빠르고 간단한 전기화학적 처리법으로 해결하는 새로운 대안을 제시했다”며 “특히 이 기술은 차세대 리튬금속 전지뿐만 아니라 나트륨, 알루미늄, 아연 등 다양한 금속 음극을 사용하고자 하는 장수명 차세대 배터리에도 적용할 수 있을 것으로 보인다”고 말했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
