‘짧은 수명’ 무음극 리튬 전지 난제 해소 ‘상용화’ 기대

KAIST, 전극 표면 설계로 수명·안정성 확보

전기차와 드론 등에 사용될 차세대 무음극 리튬 금속 전지의 수명과 안정성 문제를 국내 연구진이 해결했다.

한국과학기술원(KAIST)은 4일 생명화학공학과 이진우·임성갑 교수 연구팀이 전극 표면에 두께 15나노미터(㎚)의 초극박 인공 고분자층을 도입해 무음극 금속 전지의 최대 약점인 계면 불안정성 문제를 해결했다고 밝혔다.


무음극 금속 전지는 음극에 흑연이나 리튬 금속 대신 구리 집전체를 사용하는 단순 구조다. 기존 리튬 이온 전지와 비교해 30∼50% 높은 에너지 밀도와 낮은 제조 비용, 공정을 단순화할 수 있다. 다만 초기 충전 과정에서 리튬이 구리 표면에 쌓여 전해질이 빠르게 소모되고 불안정한 보호막(SEI)이 형성돼 수명이 짧았다.

연구팀은 전해질 조성을 바꾸는 대신 전극 표면 자체를 설계하는 전략을 선택했다. 개시제 기반 화학증착(iCVD) 공정을 이용해 구리 집전체 위에 균일한 초박막 고분자층을 형성시켜 전해질과 상호작용을 조절해 리튬 이온 이동과 전해질 분해 경로의 제어가 가능해졌다. 안정적인 무기물 보호막이 형성돼 전해질 소모와 과도한 보호막 성장이 동시에 억제됐다. 연구진은 전해질 조성 변경 없이 전극 표면에 얇은 층을 추가하는 방식으로, 기존 공정과 호환성이 높고 비용 부담도 적다고 설명했다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지인 ‘줄’(Joule)에 지난달 10일 게재됐다.

이진우 교수는 “새로운 소재 개발을 넘어 전극 표면 설계로 전해질 반응과 계면 안정성을 제어할 수 있는 설계 원리를 제시했다”며 “전기차와 에너지저장장치(ESS) 등 차세대 고에너지 배터리 시장에서 상용화를 앞당길 수 있는 기술”이라고 말했다.



대전 박승기 기자