고전압 안정성·덴드라이트 억제 동시 확인
한양대학교 ERICA가 리튬 금속 배터리의 전해질 성능 한계를 개선할 수 있는 설계 기술을 제시했다.
한양대 ERICA는 조국영 배터리소재화학공학과 교수 연구팀과 윤수근 공주대 신소재공학부 교수 연구팀이 공동으로 '공간 분리 전해질(RLE)' 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
이 연구는 리튬 금속 음극과 고전압 양극이 전해질에 서로 다른 특성을 요구하는 문제를 전극별 전해질 분리 방식으로 해결하는 데 초점을 뒀다.
리튬 금속 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도를 높일 수 있어 전기차와 대용량 에너지저장장치(ESS)용 차세대 전지로 연구되고 있다. 다만 리튬 금속 음극은 에테르계 전해질에서 안정적으로 작동하지만, 해당 전해질은 고전압 환경에서 분해되기 쉽다.
반면 고전압 양극은 카보네이트계 전해질에서 안정적인 성능을 보이지만, 이 전해질은 리튬 금속 음극에서 덴드라이트로 불리는 바늘 모양 결정 성장을 유발할 수 있다. 덴드라이트는 배터리 내부 단락과 안전성 저하의 원인으로 꼽힌다.
연구팀은 UV 경화 공정을 활용해 리튬 금속 음극 표면에 에테르계 전해질층을 고정하고, 나머지 공간에는 고전압 구동에 적합한 카보네이트계 전해질을 배치했다. 하나의 전해질로 양극과 음극을 모두 대응하는 대신 전극 위치에 따라 전해질 환경을 나눈 방식이다.
RLE 시스템을 적용한 결과, 음극에서는 덴드라이트 성장이 억제됐고 양극에서는 고전압에 따른 전해질 부식 문제가 줄어든 것으로 확인했다. 연구팀은 고농도 전해질을 배터리 전체가 아닌 필요한 부위에만 적용할 수 있어 비용 부담과 공정 복잡성을 낮추는 데도 활용 가능하다고 설명했다.
조국영 교수는 “단일 전해질이 모든 전극 조건을 만족하기 어렵다면 각 전극에 맞는 전해질을 분리 적용하는 방식이 해법이 될 수 있다”며 “이번 연구가 리튬 금속 배터리의 안전성을 높이고 고농도 전해질의 상용화 가능성을 검토하는 데 활용되길 기대한다”고 말했다.
이 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'에 지난 3월 게재됐다.
안산=김동성 기자 estar@etnews.com
