광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 엄광섭 차세대에너지연구소 소장(신소재공학과 교수) 연구팀이 짧은 전기 신호를 반복적으로 가해 전극 표면을 정밀하게 다듬는 전기화학적 펄스 증착 공정으로 리튬금속전지 음극에서 리튬 이동과 안정성을 결정하는 표면(계면)을 단 2분 만에 형성하는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.
리튬이온전지는 크기와 무게에 비해 많은 에너지를 저장할 수 있다는 장점이 있지만, 흑연으로 만든 음극의 구조적 한계로 인해 저장할 수 있는 에너지의 양에는 한계가 있다. 이 때문에 기존 리튬이온전지를 넘어서는 차세대 고에너지 배터리 기술에 대한 관심이 커지고 있다.
연구팀은 흑연 대신 리튬 금속을 음극으로 사용하는 리튬금속전지에 주목했다. 리튬금속전지는 이론적으로 매우 많은 에너지를 저장할 수 있어, 차세대 고에너지 배터리로 큰 잠재력을 지닌 기술이다.
하지만 충·방전 과정에서 리튬 이온이 계면을 따라 고르게 이동하지 않으면, 음극 표면에 리튬이 한쪽으로 쌓이면서 뾰족한 결정 구조인 덴드라이트가 자라날 수 있다. 덴드라이트가 성장하면 전극 계면이 불안정해지고 배터리 성능과 수명이 빠르게 떨어진다. 이 때문에 리튬금속전지를 실제로 사용하기 위해서는 리튬 이온이 빠르고 균일하게 이동하도록 제어할 수 있는 새로운 전극·계면 설계 기술이 필요하다.
연구팀은 필요한 기능만 살리고 부작용은 줄이는 정밀한 설계 전략을 적용했다. 이를 통해 주석(Sn)을 원자 수준으로 극소량만 도입해, 재료가 과도하게 섞이거나 변형되는 문제 없이도 리튬이 잘 달라붙는 음극 계면을 만드는 데 성공했다. 리튬 금속이 한쪽으로 뭉치지 않고 고르게 쌓이도록 유도할 수 있었으며, 전극 구조의 변형과 성능 저하도 효과적으로 억제할 수 있음을 확인했다.
특히 머리카락보다 훨씬 가는 나노 구조의 계면은 충전 초기에 자연스럽게 보호막 역할을 하는 고체전해질계면(SEI)으로 바뀌면서 리튬 이온이 빠르고 안정적으로 이동할 수 있는 통로를 형성한다. 정밀하게 설계한 음극 계면 구조를 통해 리튬 이온이 이동하는 속도를 기존 구리 계면보다 약 24배 빠르게 만들었다. 그 결과 리튬금속전지에서 오래된 문제로 꼽혀 온 리튬이 고르게 쌓이지 않는 현상과 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있었다.
나노와이어 계면 구조를 적용한 배터리는 900시간 이상 안정적으로 작동했으며, 리튬인산철(LFP) 양극을 적용한 실제 배터리 시험에서도 약 1시간 이내에 충·방전이 이뤄지는 고속 조건(1.0C)에서 480회 사용 후에도 초기 용량의 98.2%를 유지하는 결과를 보였다. 이는 고속 충전과 긴 배터리 수명을 동시에 확보했다는 점에서, 전기차와 에너지저장장치 등 산업 현장에서의 활용 가능성이 크다는 의미다.
엄광섭 교수는 “이번 연구는 리튬금속전지 상용화의 가장 큰 난제로 꼽혀 온 덴드라이트 형성 문제를 리튬 음극의 전기화학적 계면 설계만으로 효과적으로 해결할 수 있음을 입증했다는 점에서 의미가 크다”며, “2분 이내에 구현 가능한 간단한 공정으로도 고속 충전과 긴 수명 을 동시에 확보할 수 있어 기존 배터리 제조 공정에 바로 적용할 수 있는 실용적 기술”이라고 말했다.
이어 “앞으로는 기존 리튬이온전지보다 2배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있는 리튬금속전지의 상용화를 앞당기는 데에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”며 “차세대 전기차 배터리 구현에 한 걸음 다가섰다는 데 의미가 있다”고 덧붙였다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
