화학연, 리튬금속전지 폭발 막는 보호막 기술 개발

덴드라이트 성장 억제·리튬금속 손상 없이 대면적 코팅
전기차, ESS 등 고에너지 리튬금속 전지 응용 확대 기대

석정돈(사진 오른쪽) 한국화학연구원(화학연) 책임연구원과 최준영 화학연·과학기술연합대학원대학교 학생연구원. 한국화학연구원 제공

한국화학연구원 연구팀이 차세대 이차전지로 주목받는 리튬금속전지의 '덴드라이트 문제'를 해결할 박막 보호막 전사 인쇄 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

화학연에 따르면 석정돈 박사 연구팀은 고체 고분자와 세라믹을 복합한 하이브리드 보호막을 리튬금속에 전사 인쇄 방식으로 적용해 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 기술을 개발했다.

리튬금속전지는 흑연 대신 리튬금속을 음극으로 사용하는 차세대 이차전지다. 이론상 같은 무게의 흑연 음극 리튬이온전지보다 약 10배 많은 전기를 저장할 수 있어 전고체전지 및 리튬-황 전지 등 고에너지 밀도 이차전지 핵심 소재로 주목받는다.

다만 리튬금속은 충·방전 중 표면에 나뭇가지처럼 자라는 덴드라이트로 인해 단락·화재의 위험이 크고 수명도 짧다. 이를 막을 보호막 형성도, 기존 습식 공정의 유기용매로 인한 잔류물과 리튬 손상 가능성이 높아 대면적 공정과 상용화에 한계가 있었다.

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

연구팀은 이 기술이 고에너지밀도 리튬금속전지 상용화 핵심 요소로서, 향후 전기차 (EV)·에너지저장장치 (ESS) 등 고에너지 저장장치에 폭 넓게 적용할 것으로 기대 중이다. 나아가 전고체전지, 리튬황전지 등 차세대 이차전지의 구현에도 기여할 것으로 예상된다.

연구진은 "이번 연구는 새로운 보호막 소재와 대면적 전사 인쇄 공정을 결합해 리튬금속전지 상용화의 걸림돌이었던 계면 안정성과 기존 코팅 공정의 한계를 동시에 극복한 성과"라고 설명했다.

이번 연구 성과는 재료·에너지 분야 국제학술지인 '에너지 스토리지 머티리얼스'에 알루미나-금 이중 보호막 연구와 하이브리드 보호막 연구가 각각 2025년 2월과 7월에 게재됐다. 두 논문 모두 석정돈 화학연 박사가 교신저자로, 최준영 화학연·과학기술연합대학원대학교 학생연구원이 제1저자로 참여했다.