생기원, 차세대 리튬금속전지용 '무음극 집전체 기술' 개발

‘3차원 다공성 구리 집전체’기술 개발로 무음극 전지 시스템 구현

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국생산기술연구원이 숙명여대 연구팀과 공동으로 안전성이 뛰어난 '무음극 리튬금속 전지 시스템'을 구현하는 데 성공했다고 발표했다.

연구진이 제안한 '무음극' 전지 시스템은 '다공성 구리 집전체'가 음극 역할을 대신해 리튬금속전지의 최대 난점인 음극에서의 덴드라이트(나뭇가지모양으로 자라나는 결정) 형성을 차단한 기술이다.

(왼쪽부터) 생기원 오세권 박사, 숙명여자대학교 류원희 교수 [사진=한국생산기술연구원]

리튬을 음극재로 사용하는 리튬금속 이차전지는 상용 리튬이온전지 대비 높은 부피당 에너지밀도(1000Wh/L)를 갖고 있어 차세대 이차전지로 주목받고 있지만, 리튬 덴드라이트(Dendrite) 형성이 최대 단점으로 꼽힌다.

덴드라이트는 전지의 단락을 유발하는 나뭇가지 모양의 결정으로, 금속 이온이 음극에 축적되어 형성된다. 전지의 단락은 고장이나 폭발로 이어질 수 있고, 전극 표면에 덴드라이트가 형성되면 리튬 이온의 이동이 원활하지 못해 전지 효율과 수명이 줄어들기 때문에 덴드라이트 형성을 막는 기술 개발이 요구되고 있다.

생기원 친환경열표면처리연구부문 오세권 박사 연구팀과 숙명여자대학교 화공생명공학부 류원희 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 무음극 전지(Anode Free) 시스템에서 리튬 덴드라이트 성장을 제어할 수 있는 집전체 개발에 주목했다.

무음극 전지 시스템은 음극재를 없애 부피와 무게를 줄임으로써 에너지 밀도를 높이는 새로운 개념으로, 이 시스템에서는 집전체가 기존 전자 이동 통로로서의 기능 뿐 아니라 음극 역할까지 대신하게 된다.

연구팀은 덴드라이트 성장을 막는 방법으로 3차원의 다공성 구조를 갖는 구리 집전체를 개발하고, 이를 기반으로 무음극 전지 시스템을 구현했다.

생기원 연구팀은 전해도금 기술을 활용해 리튬 덴드라이트 성장을 제어할 수 있는 최적의 구조(기공 12㎛, 두께 17㎛)를 갖는 3차원 다공성 구리 집전체를 설계했다. 전해도금은 전기화학적인 방법으로 수용액 속 금속을 전도성 재료 표면에 환원 석출시키는 기술이다. 연구팀은 도금 시 발생하는 수소 기체의 발생 속도와 크기를 제어하는 방식으로 다공성 구조체를 제작했다.

3차원 다공성 구리 음극 집전체 합성 과정 모식도 및 리튬 덴드라이트 제어·성장 메커니즘 (a) 동적 수소 기포 템플릿을 사용, 구리 표면에 전기화학 도금법을 통해 3차원적으로 상호 연결된 다공성 구리 음극 구조체 형성(b) 3차원 다공성 구리 음극 집전체의 넓은 표면적이 균일한 전류 분포 및 낮은 리튬 핵생성 과전압을 유도하며, 리튬 덴드라이트가 기공 안쪽에서부터 우선적으로 형성돼 구조체 내부에 가둘 수 있어 무작위적인 덴드라이트 형성으로 인한 전지의 단락 및 전지 내 부피 팽창 문제 해결 [사진=한국생산기술연구원]

이 시스템에서는 리튬이온이 3차원 다공성 구조체 내에서 고립된 형태로 전착되었다가 가역적으로 탈리된다. 다공성 구조에 갇혀 집전체 밖으로 성장하지 못하기 때문에 양극과 만나지 않아 덴드라이트로 인한 폭발 등 안전성 문제의 근본 원인을 제거할 수 있다.

개발한 3차원 다공성 집전체는 전지의 안전성 향상 효과 외에도, 기존 구리 박막 집전체 대비 충·방전 시 부피 팽창률을 약 4분의1 수준으로 감소시키고, 리튬 핵생성 과전압도 50%가량 낮추는 것으로 나타났다.

생기원 오세권 박사는 “뿌리기술인 전해도금기술을 활용해 차세대 리튬금속전지의 안전성을 높일 수 있는 무음극 집전체 기술을 개발한 것에 의미가 있다”고 설명하며 “앞으로도 전해도금기술을 기반으로 한 에너지 전극재료 연구 개발을 지속해 차세대 이차전지 실용화에 기여하겠다”고 밝혔다.

연구결과는 화학공학 분야 세계적 학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Jorunal)'에 10월 15일 출판됐다. ( 논문제목: Li-Dendrite cage electrode with 3-D interconnected pores for Anode-Free Lithium-Metal batteries)

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)