광주과학기술원(GIST)은 신소재공학과 엄광섭 교수 연구팀이 단 2분 만에 리튬금속전지 음극 계면을 형성하는 전기화학 공정을 개발해 차세대 배터리의 최대 난제인 덴드라이트(Dendrite) 문제를 해결했다고 9일 밝혔다.
덴드라이트는 리튬 배터리 충·방전 과정에서 음극 표면에 쌓이는 고체 전해질 계면(SEI)이 반복적으로 파괴되며 성장하는 수지상 구조로 지속해서 성장하면 내부 저항 증가와 발열을 유발해 배터리 수명과 안정성이 저하된다.
이에 연구팀은 짧은 전기 신호를 반복적으로 가하는 ‘전기화학적 펄스 증착 공정’을 이용해 구리 집전체 표면에 주석(Sn)을 원자 수준으로 도입하고, 나노와이어 전구체 구조를 형성했다.
이 구조는 리튬이 한쪽으로 뭉치지 않고 고르게 쌓이도록 유도해, 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 역할을 한다.
리튬금속전지는 흑연 대신 리튬 금속을 음극으로 사용해 기존 리튬이온전지보다 이론적으로 2배 이상 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 차세대 배터리 기술이다.
그러나 충·방전 과정에서 리튬이 불균일하게 석출되면서 생기는 덴드라이트가 배터리 수명과 안전성을 크게 떨어뜨리는 한계가 있었다.
연구팀은 정밀하게 설계한 음극 계면 구조를 통해 리튬 이온이 이동하는 속도를 기존 구리 계면보다 약 24배 빠르게 만들었다. 그 결과 리튬금속전지에서 오래된 문제로 꼽혀 온 리튬이 고르게 쌓이지 않는 현상과 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있었다.
이 구조를 적용한 리튬금속전지는 900시간 이상 안정적으로 작동했으며, 리튬인산철(LFP) 양극을 적용한 완전셀 시험에서도 1시간 이내 충·방전 조건(1.0C)에서 480회 반복 사용 후 초기 용량의 98.2%를 유지했다.
이는 고속 충전과 장수명을 동시에 달성한 것으로 전기차(EV)와 에너지저장장치(ESS)용 고에너지 배터리로의 실용화 가능성을 보여주는 성과로 평가된다.
엄광섭 교수는 “리튬금속전지 상용화의 가장 큰 장애물인 덴드라이트 문제를 전극 계면 설계만으로 해결했다는 점에서 의미가 크다”며 “2분 이내의 간단한 공정으로 구현할 수 있어서 기존 배터리 제조라인에 바로 적용이 가능한 기술”이라고 말했다.
황정식 기자 hgs9354@naver.com