생산기술연, 차세대 리튬금속전지용 '무음극 집전체' 개발

숙명여대와 3차원 다공성 구리 집전체 기술 공동 연구
리튬금속 이차전지 걸림돌 '덴트라이트' 성장 제어 가능

[대전=뉴시스] 3차원 다공성 구리 음극 집전체를 기반한 전기화학 특성평가 및 리튬 덴드라이트 형성 이미지.(사진=한국생산기술연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국생산기술연구원(이하 생기원)은 3차원 다공성 구리 집전체 기술로 안전성이 뛰어난 '무음극 리튬금속 전지시스템'을 개발했다고 17일 밝혔다.

리튬을 음극재로 사용하는 리튬금속 이차전지는 상용 리튬이온전지보다 높은 부피당 에너지밀도(1000Wh/L)를 갖고 있어 차세대 전지로 주목받고 있지만 리튬 덴드라이트(Dendrite) 형성 문제가 발생한다.

덴드라이트는 전지의 고장이나 폭발로 이어질 수 있는 단락(Short Circuit)을 유발하는 나뭇가지 모양의 결정으로, 전극 표면에 덴드라이트가 생기면 리튬 이온의 이동이 원활하지 못해 전지효율과 수명도 줄어든다.

이번에 생기원 친환경열표면처리연구부문 오세권 박사팀은 숙명여자대학교 류원희 교수팀과 함께 무음극 전지(Anode Free) 시스템에서 리튬 덴드라이트 성장을 제어할 수 있는 집전체 개발에 나섰다. .

무음극 전지 시스템은 음극재를 없애 부피와 무게를 줄여 에너지 밀도를 높이는 새 기술로 이 시스템에서는 집전체가 기존 전자 이동통로로 기능하고 음극 역할까지 대신할 수 있다.

이를 위해 오 박사팀은 전해도금 기술을 활용해 리튬 덴드라이트 성장을 제어하는 데 최적의 구조(기공 12㎛, 두께 17㎛)를 갖는 3차원 다공성 구리 집전체를 설계하고 이를 기반으로 무음극 전지(Anode Free) 시스템을 구현하는 데 성공했다.

또 숙명여대 류 교수팀은 개발된 3차원 다공성 구리 집전체를 무음극 전지시스템에 적용, 성능평가 및 덴드라이트 제어 매커니즘을 규명했다.

개발된 3차원 다공성 구리 집전체는 리튬 충·방전 시 수직 형태로 리튬 덴드라이트를 형성하는 기존 박막형태의 집전체와 달리 3차원 다공성 구조체 내에서 고립된 형태로 전착됐다가 탈리된다.

이 경우 리튬 이온이 다공성 구조에 갇혀 집전체 구조 밖에서 성장하지 못하기 때문에 양극과 만나지 않아 덴드라이트로 인한 폭발 등 안전성 문제를 근본적으로 제거할 수 있다.

특히 검증에서 개발된 3차원 다공성 집전체는 전지 안전성 향상 효과는 물론 기존 구리 박막 집전체 대비 충·방전 시 부피 팽창률을 약 1/4 수준으로 감소시키고 리튬 핵생성 과전압도 50%가량 낮추는 것으로 확인됐다.

연구 성과는 지난 8월 화학공학 분야 세계적 학술지 'Chemical Engineering Jorunal' 온라인 판에 게재된 데 이어 지난 15일 출판됐다.(논문명: Li-Dendrite cage electrode with 3-D interconnected pores for Anode-Free Lithium-Metal batteries)

오세권 박사는 "뿌리기술인 전해도금기술을 활용해 차세대 리튬금속전지의 안전성을 높일 수 있는 무음극 집전체 기술을 개발했다"며 "전해도금기술을 기반으로 한 에너지 전극재료 연구개발을 지속해 차세대 이차전지 실용화에 기여하겠다"고 말했다.

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