포스텍(POSTECH)은 박수진 화학과·배터리공학과 교수, 한동엽 박사, 배터리공학과 이가영 석사 연구팀이 문장혁 중앙대 에너지시스템공학부 교수, 박성수 연구원 연구팀과 공동으로 리튬금속 배터리 수명과 안전성을 동시에 높이는 3차원 다공성 구조체를 개발했다고 29일 밝혔다. 연구 결과는 최근 재료화학 분야 국제 학술지 중 하나인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다.
리튬금속 배터리는 한 번 충전으로 더 오래 가는 차세대 배터리로 주목받지만, 치명적 약점이 있다. 충전과 방전을 거듭하면 리튬이 뾰족한 바늘 모양으로 자라는 '가지돌기(덴드라이트)' 현상이 일어난다. 이 바늘이 배터리 내부를 뚫으면 단락(합선)이 일어나 폭발할 수 있다.
연구팀의 이에 대한 해결책으로 전극 내부에 구불구불하지 않은 곧은 통로를 만들고, 아래로 갈수록 리튬이 더 잘 달라붙도록 설계했다. 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 교수는 “복잡한 공정 없이 전극 내부 이온 이동 통로와 리튬 쌓임 방식을 동시에 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시했다”며 “전극 내부의 '길'과 '방향'을 함께 설계하는 전략이 리튬금속전지 실용화의 전환점이 될 것”이라고 전했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 사업 지원을 받아 수행되었다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
