리튬금속전지 수명 갉아먹는 '부식' 해결…수명 5배 향상

(왼쪽부터) 김원배 포스텍 화학공학과·배터리공학과 교수, 강송규 화학공학과 박사, 홍서찬 배터리공학과 통합과정생. 포스텍 제공

리튬 금속 전지의 수명이 짧아지는 원인을 정량적으로 분석한 연구 결과가 제시됐다. 수명이 짧아지는 원인인 부식을 막는 기술도 개발됐다. 

포스텍은 김원배 화학공학과·배터리공학과 교수, 강송규 화학공학과 박사, 홍서찬 배터리공학과 통합과정생 연구팀이 리튬 금속 전지의 성능 저하 핵심 원인인 ‘리튬 부식’ 현상을 정량적으로 분석할 수 있는 모델을 개발하고 부식을 막는 기술을 구현했다고 14일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다. 

리튬 금속은 차세대 에너지 저장 기술 핵심 소재다. 현재 전기차와 스마트폰에 쓰이는 리튬이온전지보다 작은 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 

문제는 리튬 금속의 반응성이 매우 강하다는 점이다. 철이 공기 중 산소와 만나 녹슬듯 리튬은 배터리 전해질과 만나 빠르게 부식된다. 부식 과정에 전극 표면에는 '고체 전해질 계면‘(SEI)이라는 얇은 막이 생긴다. 이 막이 불안정해지면 전해질이 계속 소모되고 내부 저항이 커진다. 궁극적으로 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라는 '덴드라이트’'가 형성돼 배터리 수명과 안전성이 떨어지게 된다. 

부식은 배터리를 충·방전하지 않는 동안에도 지속된다. 전극 표면에 보호막을 씌우거나 인공 계면(경계면)을 만들어 부식을 막는 방법이 있지만 부식이 얼마나 빠르게 진행되는지, 전극 표면 구조 변화나 용량 감소와는 어떻게 연결되는지 정량적으로 설명한 연구가 없어 한계가 있다. 

연구팀이 개발한 ‘화학적 부식 소산 모델’은 리튬 부식과 계면 성장, 표면 구조 변화 간 관계를 하나의 통합된 수식으로 설명한다. 연구팀은 개발한 모델을 통해 부식된 표면이 거칠어지고 불균일해지면서 다음 부식을 앞당기는 악순환을 일으킨다는 점을 확인했다. 실시간 X선 현미경으로 분석해 부식 현상을 눈으로 확인하는 데도 성공했다. 

연구팀은 개발한 모델의 수식을 기반으로 ‘이중층 보호막'을 설계했다. 이중층 보호막은 서로 다른 역할을 하는 두 개 층으로 이뤄진 보호막이다. 리튬 폴리아크릴레이트 기반 고분자층으로 이뤄진 바깥층은 전해질이 리튬 금속에 직접 닿지 못하도록 물리적으로 차단한다.

리튬-은(LiAg) 합금과 불화리튬(LiF) 성분이 결합된 계면층이 존재하는 내부층은 리튬 이온이 전극 안팎으로 빠르고 균일하게 이동하도록 돕는다. 바깥층은 ‘방패’, 내부층은 ‘교통정리 시스템’ 역할을 하는 셈이다.

상용화 수준 고용량 배터리(NCM811 풀셀) 실험 결과, 이중층 보호막을 적용한 배터리는 고속 충·방전 환경에서도 안정적으로 작동했다. 배터리를 일정 시간 쉬게 하는 실사용 조건 평가에서 기존 대비 약 5배 향상된 수명도 기록했다. 지속적인 충·방전을 통해 장기 안정성도 입증됐다.

김원배 교수는 “이번 연구는 리튬 금속 전지의 수명을 좌우하는 핵심 요인인 부식 현상을 정량적으로 설명할 모델을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “부식을 억제하면서도 리튬 이온 이동은 촉진하는 계면 설계 전략을 통해 리튬 금속 전지의 실용화를 앞당길 것으로 기대한다”고 말했다. 

<참고 자료>
doi.org/10.1038/s41467-026-70585-y

[문세영 기자 moon09@donga.com]