리튬금속전지 안전성 높였다...무음극 집전체 기술 개발

한국생산기술연구원

오세권 한국생산기술연구원 친환경열표면처리연구부문 선임연구원(왼쪽)과 류원희 숙명여대 화공생명공학부 교수. 생기연 제공.

차세대 리튬금속전지의 안전성을 높일 수 있는 무음극 집전체 기술이 개발됐다. 

한국생산기술연구원은 오세권 친환경열표면처리연구부문 선임연구원 연구팀과 류원희 숙명여대 화공생명공학부 교수 연구팀이 3차원 다공성 구리 집전체 기술을 개발해 안전성이 뛰어난 무음극 리튬금속전지 시스템을 구현하는 데 성공했다고 17일 밝혔다. 

리튬을 음극재로 사용하는 리튬금속 이차전지는 상용 리튬이온전지 대비 부피당 에너지 밀도가 높다. 이로 인해 차세대 이차전지로 주목받고 있지만 ‘리튬 덴드라이트’가 형성된다는 단점이 있다. 덴드라이트는 전지의 단락(쇼트서킷)을 유발하는 나뭇가지 모양의 결정으로, 금속이온이 음극에 축적돼 생긴다. 이는 전지의 효율과 수명을 떨어뜨리고 고장이나 폭발로 이어질 위험이 있다. 

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 무음극 전지 시스템에서 리튬 덴드라이트 성장을 제어할 수 있는 집전체 개발에 나섰다. 무음극 전지 시스템은 음극재를 없애 부피와 무게를 줄이고 에너지 밀도를 높이는 개념으로, 이 시스템에서는 집전체가 전자 이동 통로와 음극 역할을 한다. 

연구팀은 3차원 다공성 구조를 갖는 구리 집전체를 개발해, 이를 기반으로 무음극 전지 시스템을 구현했다. 리튬 덴드라이트 성장을 제어하는 데 있어 최적의 구조(기공 12㎛(마이크로미터), 두께 17㎛)를 갖는 3차원 다공성 구리 집전체를 설계했다. 

이 집전체는 전해도금 기술을 활용해 설계했다. 전해도금 기술은 전기화학적인 방법으로 수용액 속 금속을 전도성 재료 표면에 환원 석출시키는 뿌리기술이다. 연구팀은 도금 시 발생하는 수소 기체의 발생 속도 및 크기 등을 제어해 다공성 구조체를 제작했다.      
 
이렇게 개발된 다공성 구리 집전체에서 리튬 이온은 3차원 다공성 구조체 내에서 고립된 형태로 전착됐다가 가역적으로 떨어져 나갔다. 다공성 구조에 갇혀 집전체 구조 밖에서는 성장하지 못하기 때문에 양극과 만나지 않고 덴드라이트 형성으로 인한 폭발 문제도 일어나지 않는다. 

3차원 다공성 집전체는 전지의 안전성을 향상시킬 뿐 아니라, 기존 구리 박막 집전체 대비 충·방전 시 부피 팽창률은 4분의1로 감소시킨다. 리튬 핵생성 과전압도 50%가량 낮추는 것으로 나타났다. 이번 연구는 8월 14일 국제학술지 ‘화학공학’ 온라인판에 게재됐다. 

[문세영 기자 moon09@donga.com]