무음극 리튬금속전지 안정성·수명 높이는 기술 개발

(대전=뉴스1) 박찬수 기자 = 충남대학교와 전남대학교 공동 연구팀이 차세대 배터리로 주목받는 무음극 리튬금속전지의 안정성과 수명을 높일 수 있는 기술을 개발했다.

충남대는 신소재공학과 박상백 교수와 전남대 기계공학부 차진혁 교수 공동 연구팀이 구리 집전체 표면에 1나노미터(㎚) 두께의 리튬플루오라이드(LiF) 나노섬을 형성해 리튬이 균일하게 성장하도록 유도하는 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

연구 결과는 에너지 소재 분야 국제학술지 '저널 오브 에너지 케미스트리(Journal of Energy Chemistry)'에 지난 9일 온라인 게재됐다.

무음극 리튬금속전지는 흑연 음극 대신 구리 집전체에서 리튬을 직접 도금·박리하는 방식으로 에너지밀도를 크게 높일 수 있어 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 하지만 리튬이 불균일하게 성장하면 '죽은 리튬'이 발생해 용량 감소와 수명 저하로 이어지는 문제가 있었다.

죽은 리튬(dead lithium)은 충·방전 과정에서 전기화학 반응에 더 이상 참여하지 못하는 리튬을 말한다.

리튬금속전지에서는 충전할 때 리튬이 음극 표면에 쌓이고(도금), 방전할 때 다시 녹아 나온다(박리). 그런데 리튬이 불규칙하게 자라거나 부서지면 일부가 전기적으로 분리돼 다시 사용할 수 없게 된다. 이것이 '죽은 리튬'이다.

공동 연구팀은 열증착 공정을 이용해 구리 집전체 표면에 1나노미터 두께의 LiF를 작은 섬 형태로 형성했다. 이 구조는 노출된 구리 표면이 리튬 이온의 이동 통로 역할을 하고, 구리와 LiF의 경계부가 안정적인 리튬 핵생성 지점으로 작용해 리튬이 균일하게 성장하도록 유도했다.

실험 결과 1나노미터 LiF 나노섬을 적용한 전지는 기존 구리 집전체나 두꺼운 LiF 막을 적용한 전지보다 높은 전류 조건에서도 안정성과 충·방전 효율이 우수한 것으로 나타났다.

연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산과 인공지능(AI) 기반 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 구리-LiF 경계부가 균일한 리튬 성장을 유도하는 원리도 규명했다.

박상백 교수는 "1나노미터 수준의 LiF 나노섬 구조를 통해 리튬 이온 이동과 안정적인 핵생성을 동시에 구현했다"며 "이번 기술은 다양한 차세대 리튬금속전지 개발에도 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지역혁신선도연구센터 사업과 차세대이차전지전문인력양성사업, 교육부 학술연구혁신지원사업(글로컬 R&D 지원)의 지원을 받아 수행됐다.

pcs4200@news1.kr