저비용 2차원 소재로, 차세대 전지인 '무음극 전고체 전지' 수명을 7배 향상시키는 기술이 국내 개발됐다.
한국화학연구원(원장 이영국)은 안기석·서동범 박사팀이 박상백 충남대 교수와 이황화몰리브덴(MoS₂)을 차세대 무음극 전고체 전지 집전체에 적용, 수명을 크게 높이는 기술을 선보였다고 1일 전했다.
현재 기존 리튬 이차전지의 단락(쇼트) 및 열폭주 우려를 해결하고자 '전고체 전지'가 연구 중이다. 인화성 액체 없이 모두 고체로 구성된 이차전지로 안전하며, 고에너지 밀도·출력 등 장점이 있다.
연구자들은 나아가, 음극 없이 생산하는 차세대 무음극 전고체 전지를 연구중이다. '양극-고체 전해질-집전체' 구조로 생산한 뒤, 첫 충전 시 양극에서 나온 리튬 이온이 집전체에 달라붙으며 리튬 층을 형성해 스스로 음극이 생기도록 하는 방식이다. 생산 시 음극이 없어 일반 전고체 전지보다 부피를 줄일 수 있어 배터리 소형화 및 에너지 저장 용량 확대가 가능하다.
다만 충전시는 리튬 이온이 집전체에 달라붙어 얇은 음극을 형성했다가 방전되면 음극 층이 없어지는 과정이 반복된다. 이 때 음극과 고체 전해질 사이 경계면이 불균일해지며 수명이 짧아진다.
이에 균일한 음극 도금 유도, 음극 보호막 생성을 위해 은·인듐 등 친 리튬성 귀금속 박막을 적용했지만 소재가 비싸고 공정이 복잡해 상용화가 어려웠다.
연구팀은 보다 저렴한 'MoS₂' 박막을 적용했다. 반도체 공정에 사용되는 금속 유기화학 기상 증착법으로 스테인리스강(SUS) 집전체에 MoS₂ 박막을 정밀하게 코팅해, 경계면 안정화 층이 추가 생성되도록 유도했다. 이는 리튬이 특정 부위에 뾰족하게 성장하는 '덴드라이트 현상'을 방지하고 배터리 수명·안정성을 높인다.
집전체에 MoS₂ 희생막을 적용한 경우 300시간 이상 안정적으로 작동했다. 약 3.2배 이상 안정성이 향상됐다. 또 기존 SUS 전극 활용 전지 대비, 초기 방전 용량이 1.18배, 수명은 7배 향상됐다.
이영국 원장은 “다양한 응용 분야에서 전고체 전지 상용화를 앞당길 수 있는 차세대 핵심기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
관련 논문은 4월 '나노 마이크로 레터스'에 게재됐다. 연구는 화학연 기본사업 및 한국연구재단 과학기술분야 기초연구지원사업 지원으로수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
