생기원, 차세대 리튬금속전지용 '무음극 집전체 기술' 개발…안전성 높이고 부피팽창 줄여

3차원 다공성 구리 음극 집전체 도입을 통한 전기화학 특성평가 및 리튬 덴드라이트 형성 이미지

한국생산기술연구원(원장 이상목)이 숙명여대 연구팀과 함께 '3차원 다공성 구리 집전체 기술'을 개발, 안전성이 뛰어난 무음극 리튬금속 전지 시스템 구현에 성공했다.

리튬금속 이차전지는 상용 리튬이온전지 대비 부피당 에너지밀도(1000Wh/L)가 높아 차세대 이차전지로 주목받고 있지만, 리튬 덴드라이트 형성이 최대 단점으로 꼽힌다.

덴드라이트는 전지 단락을 유발하는 나뭇가지 모양 결정으로, 금속 이온이 음극에 축적돼 형성된다.

오세권 생기원 친환경열표면처리연구부문 박사팀과 류원희 숙명여대 화공생명공학부 교수팀은 무음극 전지 시스템에서 리튬 덴드라이트 성장을 제어할 수 있는 집전체 개발에 나섰다.

무음극 전지 시스템은 음극재를 없애 부피·무게를 줄이고 에너지 밀도를 높이는 새로운 개념이다. 집전체가 기존 전자 이동 통로 기능 뿐 아니라 음극 역할도 대신한다.

연구팀은 전해도금 기술을 활용해 리튬 덴드라이트 성장을 제어하는 최적의 구조(기공 12㎛, 두께 17㎛)를 갖는 3차원 다공성 구리 집전체를 설계했다.

개발 3차원 다공성 구리 집전체에서는 리튬 덴드라이트가 3차원 다공성 구조체 내에서 고립된 형태로 자라나고 떨어진다. 덴드라이트로 인한 폭발 등 안전성 문제 근본 원인을 제거할 수 있다.

숙명여대 연구팀은 이런 3차원 다공성 구리 집전체를 무음극 전지시스템에 적용, 성능평가 및 덴드라이트 제어 매커니즘을 규명하는 연구를 담당했다.

3차원 다공성 집전체는 전지 안전성 향상 효과 외에도, 기존 구리 박막 집전체 대비 충·방전 부피 팽창률을 약 4분의 1 수준으로 감소시키고, 리튬 핵생성 과전압도 50%가량 낮추는 것으로 나타났다.

또 넓은 다공성 구조체 표면적이 균일한 전류 밀도 및 리튬 이온 분배를 유도해, 급속 충·방전을 위한 높은 전류밀도(5㎃/㎠)에서도 리튬 핵생성 과전압이 낮게 유지되는 것으로 확인됐다.

오세권 박사는 “앞으로도 전해도금기술을 기반으로 한 에너지 전극재료 연구 개발을 지속해 차세대 이차전지 실용화에 기여하겠다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 8월 14일 화학공학 분야 세계적 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널' 온라인 판에 게재된 데 이어 지난 15일 출판됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com