화학연, '배터리 폭발' 막는 전사 인쇄 방식 리튬 보호막 기술 세계 최초 개발

최준영 학생연구원(1저자, 화학연·UST)이 이번에 만든 리튬 보호막 적용 배터리 파우치 셀을 들어보이고 있다.

차세대 이차전지로 주목받는 리튬금속전지 최대 난제인 '덴드라이트' 문제를 해결할 박막 보호막 전사 인쇄 기술이 국내에서 세계 최초 개발됐다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 석정돈 박사팀이 고체 고분자와 세라믹을 복합한 하이브리드 보호막을 리튬금속에 전사 인쇄 방식으로 적용, 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

리튬금속은 충·방전 중 표면에 나뭇가지처럼 자라는 덴드라이트 탓에 단락·화재 위험이 크고 수명도 짧다. 이를 막는 보호막 형성도 기존 습식 공정 유기용매로 인한 잔류물, 리튬 손상 가능성이 한계점이다.

연구팀은 '알루미나-금 이중 보호막' '세라믹(Al-LLZO)-고분자 복합 하이브리드 보호막'을 리튬 금속 표면에 얇게 부착하는 전사 인쇄 공정을 세계 최초 구현했다.

전사 인쇄 공정은 기판 위에 보호막 박막을 제조한 뒤, 리튬 금속에 롤 압착 방식으로 전사하는 기술이다. 보호막-리튬 부착 시 용매를 쓰지 않아 리튬 손상을 방지하며, 리튬 전극 두께 불균일성을 극복해 우수한 균일도와 공정 반복성을 확보할 수 있다.

개발 보호막은 리튬·전해질 사이에서 덴드라이트 성장 억제와 리튬 이온 흐름을 유도해 안정적인 충·방전을 돕는다. 특히 5마이크로미터(㎛) 두께 초박막 보호막을 245×50㎜ 대면적에 균일하게 전사할 수 있는 공정을 입증했다. 상용화에 적합한 제조 확장성을 보였다.

해당 보호막은 파우치셀에서도 유효성을 확인했으며, 100회 충·방전 후에도 81.5% 용량 유지율, 55.34밀리볼트(㎷) 낮은 과전압, 99.1% 쿨롱 효율(충전 용량 대비 방전 용량 비율)을 달성하며, 보호막이 없는 경우보다 2배 이상 향상된 수명 특성을 보였다. 또 배터리를 9분 내 완전 방전시키는 고출력 조건에서도 74.1% 용량을 유지해, 더 빠르고 안정적인 고효율 충·방전 특성을 보였다.

연구팀은 이 기술이 향후 전기차(EV)·에너지저장장치(ESS) 등 고에너지 저장장치에 폭넓게 적용될 것으로 기대했다. 리튬금속전지를 넘어 전고체전지, 리튬황전지 등 차세대 이차전지 구현에도 기여할 것으로 예상된다.

이영국 원장은 “고에너지밀도 리튬금속전지 구현을 위한 가장 실용적인 해법 중 하나로, 글로벌 이차전지 경쟁력 확보에 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 '에너지 스토리지 머터리얼즈'에 알루미나-금 이중 보호막 연구가 지난 2월, 하이브리드 보호막 연구가 7월 게재됐다. 두 논문 모두 석정돈 화학연 박사가 교신저자로, 최준영 화학연·UST 학생연구원이 제1저자로 참여했다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com