리튬배터리 폭발 위험 막는 '보호막 전사인쇄' 기술 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국화학연구원(KRICT)은 석정돈 박사 연구팀이 리튬금속에 하이브리드 보호막을 전사 인쇄해 덴드라이트 성장을 억제하는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

차세대 이차전지인 리튬금속전지는 이론상 리튬이온전지보다 약 10배 많은 전기를 저장할 수 있어 전고체전지 및 리튬-황 전지 등 고에너지밀도 이차전지 핵심 소재로 주목받고 있다.

다만 충·방전 중 표면에 리튬결정체가 나뭇가지처럼 자라는 덴드라이트 현상으로 단락·화재 위험이 크고 수명도 짧은 문제가 있다.

연구팀은 '알루미나-금 이중 보호막', '세라믹(Al-LLZO)-고분자 복합 하이브리드 보호막'을 각각 개발해 이를 리튬 금속 표면에 얇게 부착하는 전사 인쇄 공정을 세계 최초로 구현했다.

전사 인쇄 공정은 별도의 기판 위에서 보호막 박막을 만들고 리튬 금속에 롤 압착 방식으로 붙이는 기술이다. 보호막-리튬 부착 시 용매를 쓰지 않아 리튬 손상을 막고 리튬 전극의 두께 불균일성을 극복해 우수한 균일도와 공정 반복성을 확보할 수 있다.

특히 5마이크로미터(㎛) 두께 초박막 보호막을 245×50㎜의 대면적에 균일하게 입힐 수 있는 공정을 입증해 보호막 기술 진보뿐만 아니라 상용화에 적합한 제조 확장성도 확보했다.

해당 보호막을 파우치셀에 부착해 성능 평가한 결과 100회 충·방전 후에도 81.5%의 용량 유지율, 55.34밀리볼트(mV)의 낮은 과전압, 99.1%의 쿨롱 효율(충전 용량 대비 방전 용량 비율)을 달성하며 2배 이상 늘어난 수명 특성을 보였다.

배터리를 9분 이내 완전 방전시키는 고출력 조건에서도 74.1%의 용량을 유지했다.

연구팀은 이 기술이 고에너지밀도 리튬금속전지 상용화 핵심 요소로서 향후 전기차(EV)·에너지저장장치(ESS) 등 고에너지 저장장치에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이영국 화학연 원장은 "이번 연구는 고에너지밀도 리튬금속전지 구현을 위한 가장 실용적인 해법 중 하나로, 글로벌 이차전지 경쟁력 확보에 기여할 것"이라고 말했다.

연구 성과는 재료·에너지 분야 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr