GIST, 삼차원 집적구조 도입 성능·안정성 높인 무음극 리튬금속배터리 개발

석출 위치가 조절된 리튬 금속의 전자현미경.

광주과학기술원(GIST)은 엄광섭·정건영 신소재공학부 교수팀이 삼차원 집적구조를 리튬 금속 담지체로 활용해 리튬을 안정적으로 저장함으로써 리튬금속전지의 내구성과 안정성을 증대하는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

현재 광범위하게 사용되고 있는 리튬이온전지는 음극재로 흑연을 활용하고 있는데 이를 리튬 금속 음극으로 대체하면 기존 리튬이온전지 시스템을 활용하면서도 에너지밀도를 약 2배 이상 증가시킬 수 있다. 하지만 낮은 충·방전 효율, 부피팽창 및 전지 폭발 위험성에 따른 리튬 금속 음극의 불안정한 반응성과 수지상 결정의 성장은 리튬금속전지의 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

최근 삼차원 리튬 담지체를 활용해 그 내부에 리튬 금속을 저장하여 상기 리튬 금속 음극의 기술적 한계를 극복하려는 노력이 산업·학술적으로 많은 주목을 받고 있으나 담지체 표면에 리튬이 석출돼 리튬 금속의 안정적인 저장이 어렵다는 문제가 지적돼 왔다.

구리 박막, 일반적 삼차원 구조, 삼차원 집적구조의 리튬 저장 거동 비교.

연구팀은 리튬 금속과 소재 내부 결정구조의 불일치성 정도에 따라 이종 금속의 리튬 친화도가 달라지며 리튬 금속의 석출 위치를 조절할 수 있다는 사실에 주목했다. 상용 구리 박막 표면에 리튬 금속과의 결정학적 불일치가 큰 티타늄(Ti) 패턴을 형성해 리튬 석출의 위치 선택성을 확인했으며 고전류 밀도에서도 높은 선택성으로 리튬의 석출 위치를 조절할 수 있음을 증명했다.

삼차원 리튬 담지체의 낮은 리튬 저장 효율을 개선하기 위해 삼차원 집적구조도 고안했다. 집적구조 설계에 웻-에칭 방식을 도입해 집적구조의 제작 단계를 간소화했다. 특히 에칭 반응의 부산물인 구리염화물을 활용해 담지체 내부의 리튬친화도를 높이는 방식으로 리튬의 수지상 성장을 제한하면서도 리튬의 저장 효율을 높일 수 있는 접근법을 개발했다.

연구팀은 일반적인 삼차원 담지체를 사용했을 때보다 삼차원 집적구조를 도입한 경우에 리튬 금속 음극의 사이클 수명이 약 2배 이상 증가하는 것을 확인했다. 상용 구리 박막 및 일반적인 삼차원 담지체는 약 80회의 충·방전 사이클 이후에서 단락이 일어났지만 새로 개발한 삼차원 집적구조는 약 190회 동안 안정적인 성능을 보였다. 가장 고도화된 차세대전지 시스템으로 평가받는 무음극 리튬금속전지의 성능 및 안정성을 크게 개선해 삼차원 집적구조의 우수성을 증명한 것이다.

왼쪽부터 엄광섭 교수, 정건영 교수, 조기엽 박사, 조성준 박사.

엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 차세대 리튬금속전지 개발에 있어서 가장 문제가 되어 왔던 리튬 수지상 형성을 억제하고, 또한 리튬 전착 거동을 소재를 통해 조절 가능하다는 것을 확인했다”며 “향후 초고에너지밀도 무음극 리튬배터리의 연구 기틀을 마련했다는 데 의의가 있다”고 말했다.

두 교수가 지도하고 조기엽 박사와 조성준 박사가 주도한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업 및 GIST 차세대에너지연구소의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 결과는 에너지·환경과학 분야 최상위 국제학술지 '에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 최근 게재됐다.

광주=김한식 기자 hskim@etnews.com