전기차 배터리의 무게와 부피를 차지하는 음극재를 제거하면서도 수명을 늘릴 수 있는 혁신적인 기술이 국내 연구진에 의해 선보였습니다. 기존의 기술적 한계를 뛰어넘어, 차세대 배터리의 핵심 과제인 리튬 덴드라이트 문제를 해결하는 데 성공하였다는 점이 주목됩니다.
이번 연구는 반도체 제조에 활용되는 초미세 공정을 배터리 기술에 접목시킨 것으로, 구리판 표면에 미세한 관 구조를 형성하여 리튬이 특정 위치에 집중되지 않도록 분산시키는 방식입니다. 이는 리튬이 뾰족한 덴드라이트 형태로 성장하는 현상을 억제하여 배터리 성능과 수명을 향상하는 새로운 전략입니다.
기존에는 충·방전 반복 시 발생하는 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 여분의 리튬을 미리 넣거나 구리판에 두꺼운 보호층을 형성하는 방법이 사용되었으나, 이 경우 배터리의 무게와 부피가 증가하는 한계가 있었습니다. 반면, 이번 연구는 물리적 구조와 표면 특성의 설계를 통해 이러한 문제를 해결하는 혁신적 접근법을 보여주고 있습니다.
연구팀은 반도체 공정에서 사용하는 ‘2차 스퍼터링 리소그래피(SSL)’ 공정을 활용하여 구리판 표면에 직경 약 300나노미터, 높이 약 150나노미터의 미세한 관 구조를 제작하였으며, 이를 통해 리튬과 표면적이 넓은 구조를 형성하였습니다. 이로 인해 리튬이 특정 위치에 집중되지 않고 넓은 면적에 분산되어 쌓이게 되어, 덴드라이트 성장을 자연스럽게 억제하는 효과를 얻은 것입니다.
또한, 연구팀은 리튬과 전해질 사이의 계면 안정성을 높이기 위해 리튬플루오라이드(LiF)가 풍부한 보호막이 자연스럽게 형성되도록 설계하였으며, 이를 엑스선 광전자 분광법(XPS), 비행시간형 이차이온 질량분석기(ToF-SIMS), 투과전자현미경(TEM) 등을 이용해 정밀하게 분석하였습니다. 결과적으로, 이러한 구조와 표면 특성 제어는 배터리의 성능 저하를 방지하는 중요한 역할을 합니다.
이번 연구의 가장 큰 특징은 전해질 조성 변경이나 여분의 리튬 투입 없이, 반도체 초미세 공정을 활용하여 구리판의 물리적 구조와 표면 특성을 동시에 제어했다는 점입니다. 이로써 무음극 전지의 장점인 높은 에너지밀도와 소형·경량화, 그리고 수명 향상이라는 핵심 목표를 동시에 달성할 수 있는 기반이 마련된 셈입니다.
이진우 교수는 “이번 연구는 전해질을 바꾸거나 여분의 리튬을 넣지 않고, 반도체 초미세 공정을 통해 리튬이 균일하게 쌓일 공간과 안정적인 보호막을 함께 만들었다는 점에서 의미가 크다”고 설명하며, “이 기술이 차세대 고에너지 무음극 전지의 실용화를 앞당기는 중요한 기초가 될 것”이라고 기대감을 표명하였습니다.
이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 김은지, 정현주, 김진욱 연구원이 공동 제1저자로 참여하였으며, 2024년 9월 1일 온라인으로 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 게재되었습니다. 핵심은 배터리 내부에 더 많은 소재를 추가하는 대신, 나노미터 단위에서 구조와 표면 특성을 재설계하여 높은 에너지밀도와 경량·소형화, 수명 향상을 동시에 실현하는 데 있습니다.
이 기술이 앞으로 발전한다면, 더 작고 가벼우면서도 높은 에너지를 저장하는 차세대 전기차 배터리 개발에 중요한 역할을 수행할 것으로 기대됩니다. 특히, 배터리 무게와 부피를 최소화하는 동시에 수명을 늘릴 수 있는 혁신적 구조 설계는 시장 경쟁력 확보에 큰 도움이 될 것으로 보입니다.
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