광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 조진현 차세대에너지연구소 배터리·전기화학 연구센터 박사팀(지도교수 엄광섭 신소재공학과 교수)이 리튬금속 표면에 얇은 보호층을 형성해 충·방전 과정에서 발생하는 불규칙한 리튬 성장을 억제하고, 부피 변화에 따른 손상을 줄이는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 차세대 리튬금속전지의 수명과 안정성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해서는 같은 무게나 부피에 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 배터리가 필요하다. 현재 널리 사용되는 리튬이온전지는 주로 흑연을 음극 소재로 사용하는데, 흑연은 저장할수 있는 리튬의 양에 한계가 있다.
이에 따라 흑연 대신 리튬금속을 음극으로 사용하는 리튬금속전지가 차세대 배터리로 주목받고 있다. 리튬금속은 단위 무게당 이론적 용량이 흑연보다 약 10배 커 더 많은 에너지를 저장하는 데 유리하다.
하지만 충·방전을 반복하면 리튬금속 표면에 나뭇가지 모양의 결정(덴드라이트)이 불규칙하게 자라거나 부피가 크게 변하는 문제가 발생한다. 이 과정에서 배터리 내부의 분리막이 손상돼 합선이 발생할 수 있고, 전해질이 지속적으로 분해되면서 배터리 수명도 짧아진다.
연구팀은 안정적인 보호막 형성을 돕는 질산마그네슘(Mg(NO₃)₂)과 유연한 고분자 소재(PVDF-HFP)를 결합해 보호층을 개발했다. 두 물질을 녹인 용액을 리튬금속 표면에 떨어뜨려 건조하면 머리카락 굵기의 약 30분의 1에 해당하는 2~3㎛ 두께의 보호층이 형성된다. 이 보호층은 안쪽과 바깥쪽에서 서로 다른 역할을 한다.
연구팀이 개발한 보호층이 실제로 리튬의 불규칙한 성장을 억제하는지 확인하기 위해 보호층을 적용한 전극과 적용하지 않은 전극에 각각 리튬을 쌓아 표면 변화를 비교했다. 그 결과, 보호층이 없는 전극에서는 리튬이 불균일하게 쌓이며 돌출된 구조가 자랐지만, 보호층을 적용한 전극에서는 리튬이 비교적 균일하게 쌓이고 보호층의 형태도 유지됐다. 반복 충·방전 후에도 보호층이 리튬 표면을 덮고 있는 것을 확인했다.
보호층을 적용한 전지에서는 충·방전 과정에서 리튬을 얼마나 효율적으로 회수해 다시 사용할 수 있는지를 나타내는 '쿨롱 효율'이 250회 충·방전 동안 평균 94%로 나타났다. 보호층이 없는 전지는 120회 동안 평균 92%를 기록해, 보호층 적용 시 리튬의 반복적인 저장과 방출이 더욱 안정적으로 이뤄지는 것도 확인했다.
실제 배터리에 사용되는 형태와 유사한 파우치형 전지에서도 70회 이상 안정적인 충·방전 성능을 확인했다. 이를 통해 개발한 보호층이 여러 전지 구성에서 리튬금속의 안정성을 높이는 데 효과가 있음을 검증했다.
조진현 박사는 “이번 연구는 간단한 용액 코팅 공정으로 형성한 얇은 보호층이 리튬금속의 불안정한 표면 반응과 부피 변화 문제를 완화하고, 서로 다른 전해질 환경에서도 효과적으로 작동할 수 있음을 확인했다는 데 의의가 있다”며 “앞으로 보호층의 제조 공정과 장기 내구성을 추가로 검증해 고용량·고안전성 리튬금속전지의 실용화에 기여하고자 한다”고 말했다.
전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
