이차전지 리튬 금속 음극재, 성능·안정성 높일 방법 찾았다

UNIST-고려대, 이중 고체전해질 계면층 구조 밝혀
고체전해질 계면층, 리튬 이온 전도 역할… 수지상 형성 억제

이현욱 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수 연구팀이 리튬 금속 음극재 표면을 극저온 투과전자현미경으로 촬영한 이미지. /UNIST

리튬 금속 음극재 표면에 만들어지는 고체전해질 계면(SEI)층의 구조가 밝혀졌다. 이번 연구로 차세대전지인 리튬금속전지의 성능 향상과 상용화가 가능할 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 이현욱 에너지화학공학과 교수와 곽상규 교려대 화학생명공학과 교수, 하오티안 왕 미국 라이스대 화공생명공학과 교수 공동연구팀이 리튬 금속 음극재 표면에 형성되는 고체전해질 계면층의 나노 구조와 성능 향상 원리를 규명했다고 18일 밝혔다.

리튬 금속 음극재는 현재 음극재로 많이 사용되는 흑연보다 10배 높은 용량으로 차세대전지 음극재로 평가받고 있다. 하지만 리튬 금속 음극재는 불안정하다는 문제점을 갖는다. 특히 전지를 구동하는 과정에서 표면에 이중 고체전해질 계면층이 형성되는데, 그 구조와 원리가 정확하게 밝혀지지 않아 상용화에 어려움을 겪고 있다.

연구팀은 극저온 투과전자현미경 분석법과 범밀도함수 이론 계산을 활용해 전고체전해질 계면층을 분석했다. 극저온 투과전자현미경 분석법은 소재를 섭씨 영하 175도의 극저온 상태로 냉각시켜 나노 단위로 분석하는 기술이다. 범밀도함수 이론은 분자 내부에 전자가 움직이는 모양과 에너지 등을 양자역학으로 계산하는 방법이다.

두 가지 분석법을 활용해 분석한 결과, 이중 고체전해질 계면층은 무기 성분인 리튬 금속 음극재 표면에 고프게 분포해 빠른 속도로 리튬 이온을 전도하는 역할을 하는 것으로 나타났다. 이는 국부적으로 리튬이 집중되는 현상을 방지하고 전지 구동에 치명적인 수지상 형성을 억제하는 것으로 밝혀졌다.

논문 제1 저자인 위태웅 라이스대 박사후연구원은 “리튬 금속 소재 표면의 고체전해질 계면층에 대한 분석은 대부분 성분 변화를 추론하는 데 그쳐왔다”며 “이번 연구로 정확한 나노 구조를 규명해 새로운 연구 방향을 제시했다”고 말했다. 이어 “이중 고체전해질 계면층 구조와 성능 향상 원리를 밝혀 리튬금속전지 상용화에 도움을 줄 수 있을 것”이라고 강조했다.

이현욱 교수는 “이차전지에 적합한 고도분석 센터는 한국에 부족한 실정”이라며 “이차전지와 차세대전지를 고도로 분석할 수 있는 인프라 구축을 통해 한국 이차전지 역량을 극대화하는 게 필요하다”고 설명했다.

이번 연구는 UNIST 미래선도형 특성화 사업과 과학기술정보통신부 중견연계 신진후속 사업, 한국에너지기술평가원 에너지신산업 글로벌인재육성사업의 지원을 받았다. 연구성과는 미국화학회(ACS)가 발간하는 에너지 분야 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 지난달 13일 게재됐다.

참고 자료

ACS Energy Letters, DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00505

- Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -