광주과학기술원(GIST)은 조진현 차세대에너지연구소 배터리·전기화학 연구센터 박사팀이 리튬금속 표면에 얇은 보호층을 형성하는 기술을 개발했다고 23일 밝혔습니다. 이번 연구는 충전과 방전 과정에서 발생하는 불규칙한 리튬 성장을 억제하고, 배터리의 부피 변화에 따른 손상을 최소화하는 데 초점을 맞추고 있으며, 차세대 리튬금속전지의 수명과 안정성을 향상시킬 것으로 기대됩니다.
현재 전기차의 주행거리를 늘리기 위해, 무게와 부피 대비 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 배터리가 필요합니다. 기존의 리튬이온전지는 주로 흑연을 음극 소재로 사용하는데, 저장 용량에 한계가 존재합니다. 이와 달리 리튬금속을 음극으로 활용하는 기술이 차세대 배터리로 주목받고 있는데, 이는 단위 무게당 이론적 용량이 흑연보다 약 10배 크기 때문입니다. 그러나 리튬금속은 충·방전 반복 시 표면에 덴드라이트(나뭇가지 모양의 결정)가 불규칙하게 자라거나 부피가 급격히 변하는 문제가 있습니다. 이러한 현상은 배터리 내부의 분리막 손상, 전해질 분해, 결국 배터리 수명 단축으로 이어집니다.
이번 연구팀은 안정적인 보호막 형성을 돕는 질산마그네슘(Mg(NO₃)₂)과 유연한 고분자 소재(PVDF-HFP)를 결합한 보호층을 개발하였으며, 이는 리튬금속 표면에 용액을 떨어뜨려 건조하는 간단한 공정을 통해 형성됩니다. 이 보호층은 머리카락 굵기의 약 30분의 1 수준인 2~3㎛ 두께로, 내부와 외부에서 각각 다른 역할을 수행합니다. 실험을 통해 보호층이 없는 전극은 리튬이 불균일하게 쌓이면서 돌출 구조를 형성하는 반면, 보호층이 적용된 전극은 리튬이 균일하게 쌓이고 보호층의 형태도 유지된다는 것이 확인되었습니다. 반복 충·방전 후에도 보호층은 리튬 표면을 덮고 있어, 안정성을 보여주고 있습니다.
특히, 보호층이 적용된 전지는 충·방전 과정에서 리튬을 얼마나 효율적으로 회수하는지를 나타내는 ‘쿨롱 효율’이 250회 충·방전 동안 평균 94%로 나타났으며, 보호층이 없는 전지는 120회 동안 평균 92%를 기록하였습니다. 이는 보호층이 리튬의 반복적 저장과 방출을 더욱 안정적으로 만들어 준다는 의미입니다. 또한, 파우치형 전지에서도 70회 이상 안정적인 성능을 유지하는 점이 확인되어, 다양한 배터리 구성에서도 효과적임이 검증되었습니다.
조진현 박사는 “이번 연구는 간단한 용액 코팅 공정으로 형성한 얇은 보호층이 리튬금속의 표면 반응과 부피 변화 문제를 완화하고, 서로 다른 전해질 환경에서도 효과를 발휘한다는 점에서 의미가 크다”고 설명하며, “앞으로 보호층의 제조 공정과 장기 내구성을 검증하여 고용량·고안전성 리튬금속전지의 실용화에 기여하겠다”고 밝혔습니다.
이번 연구는 차세대 배터리 기술 발전에 중요한 이정표가 될 전망입니다. 특히, 간단한 공정으로 보호층을 형성할 수 있다는 점은 상용화 과정에서 비용과 공정의 효율성을 크게 높일 수 있어 기대됩니다. 그러나 장기 내구성과 대량 생산을 위한 최적화는 아직 남아 있으며, 이를 해결하는 것이 앞으로의 과제입니다. 여러 전지 환경에서의 시험과 상용 배터리와의 호환성 검증이 진행되어야 하며, 기술의 상용화까지는 일정 시간이 소요될 것으로 보입니다. 이번 연구 성과가 차세대 배터리 시장의 경쟁력을 높이고, 전기차의 주행 거리와 안전성을 향상시키는 데 핵심 역할을 할 수 있음을 기대합니다.
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