차세대 무음극 리튬전지 상용화 ‘한 발짝’… 고분자층 도입해 수명 ‘향상’

KAIST, 전극 표면에 초극박 인공 고분자층 도입
계면 불안정성 문제 해결… 전해질 소모와 보호막 억제

이주현(왼쪽부터) 박사과정 ,김진욱 박사후연구원, 이진우(오른쪽 상단) 생명화학공학과 교수. KAIST 제공.

차세대 고성능 배터리로 주목받고 있는 무음극 리튬금속 전지의 전극 표면 설계만으로 배터리 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술이 개발됐다.

KAIST는 이진우·임성갑 생명화학공학과 연구팀이 전극 표면에 두께 15나노미터의 초극박 인공 고분자층을 도입해 무음극 금속 전지의 계면 불안정성 문제를 해결하는 데 성공했다고 4일 밝혔다.

무음극 금속 전지는 음극에 흑연이나 리튬 금속 대신 구리 집전체만 사용하는 단순 구조로, 기존 리튬이온전지 대비 30∼50% 높은 에너지 밀도, 낮은 제조 비용, 공정 단순화 등의 장점을 갖는다.

하지만 초기 충전 과정에서 리튬이 구리 표면에 직접 쌓여 전해질 및 활물질의 급속한 소모, 불안정하고 두꺼운 고체전해질계면 형성, 불안정한 리튬 도금 및 수지상 성장 등으로 수명이 급격히 줄어드는 문제가 있었다.

전극 표면에 두께 15나노미터의 초극박 인공 고분자층을 도입한 모습. KAIST 제공.

연구팀은 전해질 조성을 바꾸는 대신 '개시제 기반 화학증착(iCVD) 공정'을 이용해 구리 집전체 위에 균일한 초박막 고분자층을 형성하는 방식으로 전극 표면을 재설계했다. 그 결과, 초박막층이 전해질과 상호작용을 조절해 리튬 이온 이동과 전해질 분해 경로를 정밀하게 제어하는 것을 확인했다.

기존 무음극 리튬전지에서 전해질 용매가 분해되며 부드럽고 불안정한 유기물 보호막이 형성돼 리튬이 고르게 쌓이지 않고 가시처럼 뾰족한 수지상이 쉽게 자란다.

이에 반해 새로 개발한 고분자층에서는 전해질 용매와 잘 섞이지 않아 단단하고 안정적인 무기물 보호막이 형성돼 전해질 소모와 과도한 보호막 성장을 동시에 억제했다.

연구팀은 오페란도 라만 분석과 분자동역학 시뮬레이션을 통해 전지 작동 중 전극 표면에 음이온이 풍부하게 형성되는 환경이 조성돼 안정적인 무기물 보호막 생성으로 이어진다는 메커니즘을 규명했다.

전해질 조성 변경 없이 전극 표면에 얇은 층만 추가해 기존 공정과 호환성이 높고 비용 부담도 적다. 또 고분자층 형성에 적용한 iCVD 공정은 롤투롤 방식의 대면적 연속 생산이 가능해 연구실 수준을 넘어 산업적 대량 생산에도 용이하다고 연구팀은 설명했다.

이진우 KAIST 교수는 "이번 연구는 새로운 소재 개발을 넘어 전극 표면 설계를 통해 전해질 반응과 계면 안정성을 제어할 수 있다는 설계 원리를 제시한 점에서 의미가 있다"며 "전기차와 에너지저장장치(ESS) 등 차세대 고에너지 배터리 시장에서 무음극 리튬 금속 전지 상용화를 앞당길 수 있는 기술로 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구결과는 에너지 분야 국제 학술지 '줄'(Joule) 지난달 10일에 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr