화재 걱정 없는 전기차 시대 ‘성큼’…차세대 리튬 금속 배터리 안정성 높여

△음각-주름 구조와 리튬친화성 계면 개질을 이용한 탄성체 리튬 금속 전극 제작 및 작동 메커니즘 모식도

화재 걱정 없는 차세대 전기차 배터리 상용화에 가속도가 붙을 전망이다. 고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과/KU-KIST융합대학원 조진한 교수, KU-KIST융합대학원 백서인 교수, 대구경북과학기술원(DGIST) 고용민 박사 공동 연구팀이 리튬 금속 배터리의 합선 위험을 낮추고 장수명·고안정성을 동시에 확보하는 전극 기술을 개발했다.

리튬 금속 배터리는 현재 스마트폰, 전기차 등에 쓰이는 리튬 이온 배터리를 이을 차세대 주자로 주목받는다. 배터리는 크게 에너지를 방출하는 양극과 에너지를 저장하는 음극으로 구성되는데, 리튬 금속은 용량이 크고 높은 전압을 구현할 수 있어 훌륭한 음극 소재로 꼽힌다. 하지만 충·방전 과정에서 리튬이 전극 표면에 뾰족하게 자라나 배터리 내부 단락(합선)을 유발하고 성능을 떨어뜨리는 ‘덴드라이트’ 현상이 걸림돌이었다.

이에 연구팀은 ‘음각-주름 구조’를 도입한 탄성체 전극 위에 리튬친화성 아민 분자(tris(2-aminoethyl)amine, TREN)를 입힌 차세대 리튬 금속 배터리용 전극을 개발했다. 쉽게 말해, 기존의 딱딱하고 평평한 금속 집전체 대신 말랑말랑한 탄성체 전극을 도입하고, 그 표면에 오목한 홈과 미세한 주름을 결합한 계층형 구조(음각-주름 구조)를 만들었다. 여기에 아민 분자를 정밀하게 코팅한 새로운 전극을 설계한 것이다.

개발된 전극은 구조 내부에서 전류 분포를 효과적으로 분산·유도하고, 리튬의 핵 생성 및 성장을 안정적으로 제어함으로써 덴드라이트 현상을 억제했다. 탄성체 기반 구조와 연속적인 금속 전도층은 국소 응력(내부 압력)을 효과적으로 완화해 전극이 깨지거나 변형되는 것을 막고, 아민 분자막은 안정적인 ‘고체 전해질 계면 보호막’을 형성해 배터리의 화학적 안정성과 장수명 특성을 동시에 확보했다. 

*고체 전해질 계면(SEI) 보호막: 배터리를 처음 충전할 때 전극 표면과 전해질이 반응하여 전극 표면에 자연스럽게 형성되는 천연 보호막으로, 배터리의 부식을 막고 수명을 늘려주는 역할을 한다. 

특히, 해당 전극을 이용한 리튬 금속 대칭셀은 고전류 밀도 조건(3 mA cm-2)에서도 2,200시간 이상 안정적인 장기 구동이 가능했으며, LFP(리튬·인산·철) 양극과 조합해 전지를 구현했을 때에도 높은 용량 유지율과 우수한 사이클 안정성(1,000 사이클)을 나타냈다. 또 높은 전류 밀도와 실사용에 가까운 조건에서도 안정적인 충·방전 성능을 유지하여 차세대 리튬 금속 배터리용 전극으로서의 실용 가능성을 입증했다. 

*리튬 금속 대칭셀(Li|Li): 개발된 전극의 순수한 수명과 기계적·화학적 내구성을 집중적으로 평가하기 위해, 동일한 두 개의 리튬 금속 전극을 양쪽에 마주 보게 배치하여 만든 실험용 배터리 셀

조진한 교수는 “이번 연구는 음각-주름 기반의 계층형 구조 설계와 리튬친화성 계면 개질을 결합하여, 리튬 금속 배터리의 덴드라이트 성장과 계면 불안정성 문제를 동시에 해결할 수 있음을 보여준 연구”라며 “향후 고에너지밀도 차세대 금속 음극 전지에 적용 가능한 범용 전극 플랫폼으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구 성과는 에너지 저장 분야의 세계적 권위 학술지인 ‘Advanced Energy Materials(IF=26.0)’ 온라인에 5월 27일 게재됐으며, 논문의 우수성을 인정받아 후면 표지로 선정됐다. 

*논문명: High-Performance Elastomeric Lithium Metal Anodes Enabled by a Lithiophilic Monolayer-Assembled Nano-Crumpled Micro-Concave Architecture

*DOI: 10.1002/aenm.71104

*URL: https://doi.org/10.1002/aenm.71104

이번 연구는 한국연구재단 중견핵심(도약) 및 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과/KU-KIST융합대학원 조진한 교수(교신저자), 대구경북과학기술원(DGIST) 고용민 박사(공동교신저자), 고려대 융합에너지공학과/KU-KIST융합대학원 백서인 교수(공동교신저자), 고려대 화공생명공학과 최승하 석사(제1저자), 조지아텍(Georgia Institute of Technology) 기계공학과 남동현 박사후연구원(공동제1저자)