계면 설계 전략 통해 리튬 금속 전지의 실용화 앞당길 것으로 기대
포스텍 연구팀이 리튬 금속 전지의 성능 저하 원인인 '리튬 부식'을 정량적으로 분석하고 이를 효과적으로 억제할 수 있는 보호 기술을 개발했다.
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| ▲ 포스텍 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수(왼쪽부터), 포스텍 화학공학과 강송규 박사, 포스텍 배터리공학과 통합과정 홍서찬 씨. [포스텍 제공] |
포스텍은 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 강송규 박사, 배터리공학과 통합과정 홍서찬 씨 연구팀은 리튬 금속 전지의 성능 저하 핵심 원인인 '리튬 부식' 현상을 정량적으로 분석할 수 있는 모델을 개발하고 배터리 부식을 효과적으로 막는 이중층 보호막 기술을 구현했다고 14일 밝혔다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다.
리튬 금속은 차세대 에너지 저장 기술의 핵심 소재다. 현재 전기차와 스마트폰에 쓰이는 리튬이온전지보다 훨씬 많은 에너지를 더 작은 공간에 저장할 수 있어 배터리 업계에서는 '꿈의 소재'로 불린다.
그러나 리튬이 워낙 반응성이 강하다는 문제점도 있다. 리튬은 배터리 전해질과 만나는 순간 빠르게 반응하며 부식된다. 이 과정에서 전극 표면에 '고체 전해질 계면(SEI)'이라는 얇은 막이 생기는데 이 막이 불안정해지면 전해질이 계속 소모되고 내부 저항이 커진다.
결국 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라는 '덴드라이트가 형성되어 배터리의 수명과 안전성을 동시에 갉아먹는다.
그런데 이 부식이 배터리를 충전하거나 방전하지 않고 보관만 하는 동안에도 계속 진행된다. 전극 표면에 보호막을 씌우거나 인공 계면을 만드는 방식도 있지만 한계가 있다.
부식이 얼마나 빠른 속도로 진행되는지, 그것이 전극 표면 구조 변화나 용량 감소와 어떻게 연결되는지를 정량적으로, 즉 숫자로 명확히 설명한 연구가 거의 없었다.
연구팀이 개발한 '화학적 부식 소산 모델'은 리튬 부식과 계면 성장, 표면 구조 변화 간 관계를 하나의 통합된 수식으로 설명한다. 이를 통해 부식된 표면은 그 표면이 거칠어지고 불균일해지면서 다음 부식이 더 빠르게 진행되는 '악순환' 구조도 확인했다.
실시간 X선 현미경 분석을 통해 이 현상을 눈으로 직접 확인하는 데도 성공했다.
연구팀은 이를 바탕으로 '이중층 보호막'을 설계했다. 이 보호막은 각 층이 서로 다른 역할을 맡는다. 바깥층은 '리튬 폴리아크릴레이트' 기반의 고분자 층으로 이뤄져 있으며 전해질이 리튬 금속에 직접 닿지 못하도록 물리적으로 차단한다.
안쪽은 리튬-은 합금과 불화리튬 성분이 결합된 계면층이 있어 리튬 이온이 전극 안팎으로 빠르고 균일하게 이동하도록 돕는다.
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| ▲ 이중층 보호막에 의한 리튬 부식 억제 및 균일한 리튬 이온 이동 모식도. [포스텍 제공] |
상용화 수준의 고용량 배터리(NCM811 풀셀) 실험 결과, 고속 충·방전 환경에서도 안정적으로 작동했으며, 특히 배터리를 일정 시간 쉬게 하는 실사용 조건 평가에서는 기존 대비 약 5배 향상된 수명을 기록했다.
파우치 셀에서도 650회 이상 안정적으로 충·방전이 가능해 장기 안정성을 입증했다.
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 계면설계 전략을 통해 리튬 금속 전지의 실용화를 앞당길 것으로 기대한다"고 밝혔다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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