한양대 임희대·고민재 교수팀, 리튬메탈 배터리 상용화 앞당겨 … 수명·안전성 높이는 새 집전체 기술 개발

한양대학교는 화학공학과 임희대, 고민재 교수 연구팀이 리튬 메탈 배터리의 수명과 안전성을 획기적으로 높일 수 있는 다차원 집전체 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 리튬 메탈 배터리 상용화를 앞당길 전환점이 될 것으로 기대된다.

전기자동차 보급이 가속화하고 에너지저장장치(ESS) 시장이 성장하면서 기존 리튬 이온 배터리를 넘어선 고성능 배터리의 수요가 급증하고 있다. 리튬 메탈 배터리는 에너지 밀도가 리튬 이온 배터리의 10배에 달하고 가벼우며 용량도 높아 전기차, 드론, 항공우주 등 다양한 분야에서 차세대 배터리로 주목받고 있다.

그러나 리튬 메탈 배터리의 핵심 구성 요소인 리튬 음극은 충전 과정에서 리튬 덴드라이트(dendrite)가 형성되는 문제가 있다. 덴드라이트는 음극 표면에 비대칭적으로 자라 배터리 성능을 떨어뜨릴 뿐 아니라 내부 단락과 화재를 유발해 배터리의 안정성을 위협한다. 이 때문에 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 리튬 메탈 음극에 적합한 새로운 다차원 집전체 기술을 공동 개발해 문제를 해결했다. 기존 다차원 집전체는 리튬이 주로 상단에서 증착돼 내부 구조를 충분히 활용하지 못하고, 덴드라이트 성장을 억제하지 못하는 한계가 있었다. 연구팀은 리튬 친화성이 높은 마그네슘을 집전체 하단에 나노 수준으로 농도 구배 형태로 증착하는 기술을 새롭게 제안했다. 이 기술을 활용해 리튬 증착을 하단부에서부터 균일하게 유도함으로써 덴드라이트 성장을 원천적으로 억제하는 데 성공했다.

새 집전체 기술은 기존 집전체보다 3배 이상의 수명 안정성을 보이며, 리튬 메탈 배터리의 안전성과 성능을 동시에 향상했다. 이 기술은 집전체의 두께와 다공성을 조절할 수 있어 에너지 밀도를 극대화한 고성능 배터리 설계에 중요한 기술적 기반이 될 수 있다고 연구진은 설명했다. 전기차 등 대용량 에너지저장장치뿐만 아니라 차세대 전자기기에 적용할 가능성을 열었다는 평가다.

임 교수는 "이번 연구로 리튬 메탈 배터리의 가장 큰 문제인 수명 저하와 안전성 문제를 동시에 해결할 기술을 제시했다"며 "집전체 구조를 최적화하고 대량 생산 가능성을 높이기 위한 후속 연구를 진행해 리튬 메탈 배터리의 상용화를 가속할 계획"이라고 말했다. 이어 "집전체 설계 기술은 다양한 전극 소재에도 응용할 수 있다. 배터리 기술 전반에 새로운 패러다임을 제공할 것"이라고 했다.

이번 연구 논문은 재료과학분야 국제학술지 '미국화학회 나노(ACS Nano)' 내년 1월호에 게재될 예정이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 신진연구자지원사업의 지원을 받았다.