차세대 배터리 무음극 리튬 금속 전지, 전극 표면 설계로 수명 대폭 연장

KAIST 이주현 박사과정생(왼쪽), 김진욱 박사후연구원(오른쪽), 이진우 생명화학공학과 교수(오른쪽 상단). KAIST 제공

국내 연구팀이 전기차와 드론, 차세대 고성능 배터리 후보로 주목받는 '무음극 리튬 금속 전지'의 수명을 전극 표면 설계만으로 획기적으로 늘리는 데 성공했다. 무음극 리튬 금속 전지는 음극에 흑연이나 리튬 금속 대신 구리 집전체만 사용하는 단순 구조를 갖는 전지다. 연구성과는 무음극 리튬 금속 전지의 상용화 돌파구를 마련했다는 평가를 받는다. 

KAIST는 이진우·임성갑 생명화학공학과 교수 연구팀이 전극 표면에 두께 15나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m)의 초극박 인공 고분자층을 도입해 무음극 금속 전지의 최대 약점인 계면 불안정성 문제를 근본적으로 해결했다고 4일 밝혔다.

무음극 금속 전지는 기존 리튬이온전지 대비 30~50% 높은 에너지 밀도, 낮은 제조 비용, 공정 단순화라는 장점이 있다. 문제는 초기 충전 과정에서 리튬이 구리 표면에 직접 쌓이며 전해질이 빠르게 소모되고 불안정한 보호막(SEI)이 형성돼 수명이 급격히 줄어드는 한계가 있다는 점이다. 

연구팀은 전해질 조성을 바꾸는 대신 문제가 시작되는 전극 표면 자체를 설계하는 전략을 선택했다. 개시제 기반 화학증착(iCVD) 공정을 이용해 구리 집전체 위에 균일한 초박막 고분자층을 형성했다. 초박막 고분자층은 전해질과의 상호작용을 조절해 리튬 이온 이동과 전해질 분해 경로를 정밀하게 제어한다. 개시제 기반 화학증착 공작이란 아주 얇은 고분자를 물이나 약품에 담그지 않고 기체로 코팅하는 방법이다. 

기존 전지에서는 전해질 용매가 분해되며 부드럽고 불안정한 유기물 보호막이 형성됐다. 리튬이 고르게 쌓이지 않아 가시처럼 뾰족한 수지상이 쉽게 자랐다. 리튬 금속이 나뭇가지처럼 뾰족뾰족하게 자라는 결정 구조인 수지상은 배터리의 수명을 줄이고 폭발 위험을 높인다.

반면 연구팀이 개발한 고분자층은 전해질 용매와 잘 섞이지 않아 용매 대신 염 성분의 분해를 유도했다. 그 결과 단단하고 안정적인 무기물 보호막(SEI)이 형성되면서 전해질 소모와 과도한 보호막 성장이 동시에 억제됐다.

연구진은 시뮬레이션을 통해 전지 작동 중 전극 표면에 음이온이 풍부한 환경이 형성되고 안정적인 무기물 보호막 생성으로 이어진다는 메커니즘도 규명했다. 

개발된 기술은 전해질 조성 변경 없이 전극 표면에 얇은 층만 추가하는 방식으로 기존 공정과의 호환성이 높고 비용 부담도 적다. 특히 iCVD 공정은 롤투롤 방식의 대면적 연속 생산이 가능해 산업적 대량 생산에 적합하다. 롤투롤 방식은 재료를 두루마리처럼 계속 흘려보내며 빠르게 만드는 대량 생산 기술이다. 

이진우 교수는 “연구는 새로운 소재 개발을 넘어, 전극 표면 설계를 통해 전해질 반응과 계면 안정성을 제어할 수 있다는 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “전기차와 에너지저장장치(ESS) 등 차세대 고에너지 배터리 시장에서 무음극 리튬 금속 전지 상용화를 앞당길 수 있는 기술”이라고 밝혔다.

연구에는 이주현 KAIST 생명화학공학과 박사과정생과 김진욱 KAIST 생명화학공학과 박사후연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구결과는 에너지 분야 학술지 중 하나인 ‘줄(Joule)’에 지난 12월 10일 게재됐다.

<참고자료>
-DOI : 10.1016/j.joule.2025.102226
 

[이채린 기자 rini113@donga.com]