포스텍·중앙대, 전기차 폭발 위험 해결할 새로운 전국 구조 개발 성공

“굴곡 낮추고 친화도 높이는 다공성 구조체 개발로 덴드라이트 억제”

왼쪽부터 이가영 포스텍 배터리공학과 석사와 한동엽 포스텍 화학과 박사

왼쪽부터 문장혁 중앙대 에너지시스템공학부 교수와 박수진 포스텍 화학과 교수.

포스텍과 중앙대 공동연구팀이 전기차 배터리 최대 난제인 '폭발 위험'을 해결할 새로운 전극 구조를 개발하는데 성공했다.

이번 연구는 포스텍 화학과·배터리공학과 박수진 교수, 한동엽 박사, 배터리공학과 이가영 석사, 중앙대 에너지시스템공학부 문장혁 교수, 박성수 연구원 공동연구팀에 의해 진행됐다. 이 연구 결과는 재료화학 분야 국제 학술지 중 하나인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다.

국가소방청에 따르면, 연간 전기차 화재 건수가 2018년 3건에서 2023년 72건으로 5년 새 24배 증가했다. 지난해 8월 인천 아파트 지하 주차장에서 주차 중이던 전기차가 폭발하면서 차량 87대가 타고 793대가 그을렸다. 23명은 연기를 마셔 병원으로 이송됐다. 이처럼 리튬금속 배터리는 한 번 충전으로 더 오래 가는 차세대 배터리로 주목받지만, 치명적 약점이 있다. 충전과 방전을 거듭하면 리튬이 뾰족한 바늘 모양으로 자라는 '가지돌기(덴드라이트·dendrite)' 현상이 일어난다. 이 바늘이 배터리 내부를 뚫으면 단락(합선)이 일어나 폭발할 수 있다. 덴드라이트는 나뭇가지 모양 결정, 전기화학에서는 리튬금속전지에서 문제를 일으키는 금속 결정을 말한다.

연구팀은 전극 내부에 구불구불하지 않은 곧은 통로를 만들고, 아래로 갈수록 리튬이 더 잘 달라붙도록 설계하는 방식으로 해결책을 제시했다. 이는 리튬금속 배터리 수명과 안전성을 동시에 높이는 3차원 다공성 구조체다.

연구팀은 물과 기름이 섞이지 않고 분리되는 원리를 활용한 '비용매 유도 상분리' 공정으로 이 구조를 구현했다. 고분자에 탄소나노튜브와 은 나노입자를 섞어 전기가 잘 통하게 만들고, 구리 기판 위에 은층을 입혀 리튬이 바닥부터 자라도록 유도했다. 그 결과 리튬이 아래에서 위로 차곡차곡 쌓이는 '상향식(bottom-up)' 증착이 이뤄졌고, 위험한 가지돌기 발생이 완전히 억제됐다.

이 기술을 적용한 배터리는 무게 기준 398.1Wh/kg, 부피 기준 1516.8Wh/L의 높은 에너지 밀도도 달성했다. 현재 전기차에 주로 쓰이는 NCM811, LFP 양극재와 결합한 파우치형 전지에서도 적은 양의 전해액과 낮은 음극-양극 비율이라는 까다로운 상용 조건에서 우수한 성능을 보였다.

박수진 포스텍 교수는 "복잡한 공정 없이 전극 내부 이온 이동 통로와 리튬 쌓임 방식을 동시에 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시했다"라며 "전극 내부의 '길'과 '방향'을 함께 설계하는 전략이 리튬금속전지 실용화의 전환점이 될 것"이라고 했다.

중앙대 문장혁 교수는 "단순한 공정으로 전극의 미세 구조와 화학적 구배를 동시에 설계할 수 있어 대량생산에 최적화됐다"라고 연구의 의미를 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 사업 지원을 받아 수행됐다.