차세대 이차전지 `리튬금속전지` 폭발 막는다…다공성 구리 집전체 개발

생기원, 전해도금기술 활용 덴드라이트 성장 제어
충방전시 부피 팽창, 과전압 등 줄여 폭발 문제 해소

한국생산기술연구원은 전해도금기술을 활용해 리튬 덴드라이트 성장을 제어하는 3차원 다공성 구리 집전체를 개발했다. 생기원 제공

리튬이온전지를 대체하는 차세대 전지로 주목받는 '리튬금속 이차전지'의 안전성을 높이는 기술이 개발됐다.

한국생산기술연구원은 오세권 박사 연구팀은 류원희 숙명여대 교수 연구팀과 공동으로 전해도금 기술을 활용해 리튬 덴드라이트 성장을 제어하는 3차원 다공성 구리 집전체 기술을 개발하고, 무음극 전지 시스템으로 구현하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

리튬을 음극재로 쓰는 리튬금속 이차전지는 상용 리튬이온전지에 비해 높은 에너지밀도로 차세대 이차전지로 각광받고 있다. 하지만 전지의 단락을 유발하는 나뭇가지 모양의 결정인 덴드라이트가 음극에 생겨 고장이나 폭발로 이어질 수 있다. 또한 전극 표면에 덴드라이트가 형성되면 리튬 이온의 이동이 원활하지 못해 전지 효율과 수명이 줄어든다.

연구팀은 도금 시 발생하는 수소 기체의 발생 속도와 크기 등을 제어하는 전해도금 기술을 이용해 리튬 덴드라이트 성장을 제어할 수 있는 다공성 집전체를 제작했다.

이 집전체는 리튬 충·방전 때 수직 형태로 리튬 덴드라이트를 형성하는 기존 박막형태의 집전체와 달리 3차원 다공성 구조체 내에서 고립된 형태로 전착됐다가 가역적으로 떨어져 나간다. 리튬 이온이 다공성 구조에 갇혀 집전체 구조 밖에서 성장하지 못하기 때문에 양극과 만나지 않아 덴드라이트로 인한 폭발 등 안전성 문제를 근본적으로 해결할 수 있다고 연구팀은 설명했다. 이를 기반으로 집전체가 기존 전자 이동 통로 기능과 음극 역할을 대신하는 '무음극 전지 시스템'을 구현했다.

연구팀은 3차원 다공성 구리 집전체는 12㎛(마이크로미터) 크기의 미세 기공들로 이뤄져 있어 기공 안쪽에서부터 리튬 덴드라이트가 형성되고, 가역적으로 떨어져 나가 충방전 시 부피 팽창률을 4분의 1 수준으로 줄일 수 있다. 아울러 급속 충방전을 위한 높은 전류밀도에서 리튬 핵생성 과전압을 50% 가량 낮출 수 있다.

오세권 생기원 박사는 "뿌리기술인 전해도금기술을 활용해 차세대 리튬금속전지의 안전성을 높일 수 있는 무음극 집전체 기술을 개발했다는 데 의미가 있다"며 "앞으로 전해도금기술을 기반으로 에너지 전극재료 관련 연구를 지속해 차세대 이차전지 실용화에 기여하겠다"고 말했다.

이 연구결과는 화학공학 분야 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(지난 15일자)'에 게재됐다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr