‘리튬금속전지’ 최대 난제 해결…100회 충·방전 후 81% 용량 유지

화학연, 고분자-세라믹 하이브리드 보호막 개발
전사인쇄 공정 적용...성능 저하 ‘덴드라이트’ 억제

차세대 이차전지로 주목받고 있는 리튬금속전지의 최대 난제인 덴드라이트(나뭇가지 모양으로 성장하는 현상) 문제를 해결할 수 있는 보호막 기술이 개발됐다. 리튬금속 표면을 손상시키지 않으면서 대면적에 균일하게 코팅할 수 있는 전사인쇄 공정기술을 적용해 리튬금속전지 상용화에 한 발짝 다가서게 됐다.

한국화학연구원은 석정돈 박사 연구팀이 고체 고분자와 세라믹을 혼합해 리튬금속전지의 덴드라이트 성장을 억제할 수 있는 '하이브리드 보호막'을 개발했다고 13일 밝혔다.

리튬금속전지는 흑연 대신 리튬금속을 음극으로 사용하는 차세대 이차전지다. 기존 흑연 음극의 리튬이온전지보다 이론적으로 10배 많은 전기를 저장할 수 있어 전고체전지, 리튬-황전지 등 고에너지밀도 이차전지 핵심소재로 주목받고 있다.

하지만, 리튬금속은 충·방전 과정에서 리튬이온이 음극 표면에 나뭇가지 모양으로 성장하는 덴드라이트 현상으로 인해 배터리 수명이 떨어지고, 셀 단락과 관련된 열폭주로 인한 화재·폭발 위험을 안고 있다. 또한 이를 막기 위한 보호막 형성이 기존 습식 공정의 유기용매 사용으로 잔류물과 리튬 손상 가능성이 높아 대면적 공정과 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 세라믹-고분자 복합 하이브리드 보호막을 개발하고, 이를 리튬금속 표면에 얇게 부착하는 전사 인쇄 공정을 구현하는 데 성공했다.

전사 인쇄 공정은 별도 기판 위에서 보호막 박막을 제조한 뒤 리튬금속에 롤 압착 방식으로 물리적으로 전사하는 기술로, 용매를 쓰지 않아 리튬 손상을 막을 수 있을 뿐 아니라, 리튬 전극을 균일하게 반복적으로 생산할 수 있다.

하이브리드 보호막은 리튬과 전해질 사이에서 덴드라이트 성장을 억제하고, 리튬이온 흐름을 원활하게 유도해 안정적인 충·방전을 돕는다. 실제 보호막은 파우치 셀에서 100회 충·방전 후에도 81.5%의 용량을 유지했고, 55.34밀리볼트의 낮은 과전압과 99.1%의 쿨롱 효율(충전 용량 대비 방전용량 비율)을 달성했다고 연구팀은 설명했다.

수명도 보호막이 없을 때보다 2배 이상 향상됐고, 배터리를 9분 이내 완전 방전시키는 고출력 조건에서도 74.1%의 용량을 유지해 더 빠르고 안정적인 고효율 충·방전 특성을 보였다.

석정돈 화학연 박사는 "이번 연구는 새로운 보호막 소재와 대면적 전사 인쇄공정을 결합해 리튬금속전지 상용화의 걸림돌였던 계면 안정성과 기존 코팅 공정의 한계를 동시에 극복한 성과"라며 "리튬금속전지뿐 아니라 전고체전지, 리튬황전지 등 차세대 이차전지 구현에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구결과는 재료에너지 분야 국제 학술지 '에너지 스토리지 머터리얼스(7월)'에 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr

최준영 화학연 학생연구원(1저자)이 개발한 하이브리드 보호막을 적용한 배터리 파우치 셀을 보여주고 있다

전사 인쇄 공정을 적용한 세라믹-고분자 하이브리드 보호막 제조 공정 개념도.

화학연 제공" class="img_LSize" />