전해도금법으로 만든 리튬 음극으로 배터리 수명 획기적 향상

상업용 리튬(M-Li)에 비해 균일하고 밀도 높게 리튬이 전착될 수 있는 전착 리튬(ED-Li). (자료제공: DGIST)

대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지공학과 이홍경 교수 연구팀은 기존 상업용 리튬 음극을 대체할 수 있는 새로운 제조법을 제시해 리튬 금속 전지의 한계를 극복할 수 있는 새로운 리튬을 개발했다고 지난달 16일 밝혔다.
이상적인 전지의 음극 소재로 알려진 리튬 금속은 현재 상용화된 흑연 소재보다 이론용량이 10배 높기 때문에 기존 리튬이차전지의 에너지밀도의 한계를 뛰어넘는 배터리를 구현할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 리튬 금속은 통상적으로 리튬 포일을 사용하고 있어 생산 및 보관 과정에서 산화층을 형성한다. 이 때문에 리튬 표면의 품질이 급격히 저하되어 충·방전 과정 중 리튬 덴드라이트(dendrite)가 쉽게 형성되기 때문에 상용화에 난항을 겪고 있다.
이에 이홍경 교수 연구팀은 리튬 포일을 대체하기 위한 새로운 제조 방법을 개발했다. 유사 고농도 전해질을 활용한 전해도금법을 통해 훨씬 매끈하면서도 균일한 리튬 금속 음극을 제조하는 방법이다. 유사 고농도 전해질을 통해 만들어진 리튬 표면은 불소기반의 성분을 다량 함유하여 전해질과의 반응성을 낮출 수 있는 장점이 있고, 간단한 물리적인 압착을 통해 빈틈없이 얇게 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 리튬 음극은 상용 리튬 포일에 비해 훨씬 매끈하고, 표면층의 화학성분이 균일한 특징이 있으며, 기존 제조 공정 대비 대면적 생산이 유리하다는 장점이 있다.
현재 상용화된 리튬 포일의 표면층은 불안정한 물질인 탄산리튬(Li2CO3)을 과량 포함하고 있고, 화학성분이 균일하지 않다. 이렇게 되면 리튬이 불규칙하게 자라고, 전해질과 만날 때 문제가 생긴다. 연구팀이 개발한 리튬 금속 음극은 ‘전해질 맞춤형’ 표면층(Electro-native layer, ENL)을 형성하고 있어 전해질과 친화성이 높고 저항이 낮다. 이 때문에 전기화학 반응을 빠르고 균일하게 하여 산발적인 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 방전 과정에서도 리튬이 매끄럽게 빠져나가서 전지 내부가 부드럽게 유지될 수 있다. 이러한 개선을 통해 상용 수준의 전지 설계에서도 리튬 금속 전지의 성능과 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
이홍경 교수는 “본 연구를 통해 리튬 음극의 초기 표면 품질 개선만으로 리튬 금속 배터리의 수명을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것”이라며 “향후 표면 안정화 기술을 추가 도입해 리튬 금속 전지의 진정한 상용화를 앞당길 수 있었으면 한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 ‘우수 신진 사업’ 및 산업통상자원부 ‘나노융합 혁신제품 기술개발 사업’ 등의 지원을 받아 수행되었다. 연구성과는 에너지 분야 국제 전문학술지 ‘Energy Storage Materials’에 6월 12일자로 온라인 게재됐다.