한양대 조국영 교수팀, 차세대 리튬금속 배터리 '전해질 딜레마' 해결 … 첨가제 대신 공간 분리로 '전극 상충관계' 해결

한양대학교는 ERICA캠퍼스 배터리소재화학공학과 조국영 교수 연구팀이 리튬 금속 배터리(LMB)의 고질적 난제였던 전해질 성능 한계를 돌파하는 혁신적인 설계 패러다임을 제시했다고 23일 밝혔다.

이번 연구는 양극과 음극이 전해질에 상반된 특성을 요구해 발생하는 이른바 ‘단일 전해질의 딜레마’를 물리적 공간 분리 기술로 해결했다는 점에서 주목받고 있다.

이번 연구는 공주대 신소재공학부 윤수근 교수 연구팀과 공동으로 진행했다.

전기차(EV)와 대용량 에너지저장장치(ESS) 시장이 급성장하면서 기존 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 월등히 높은 리튬 금속 배터리가 차세대 전지로 손꼽힌다. 그러나 리튬 금속 음극은 에테르계 전해질에서 안정적인 반면 고전압에서 쉽게 파괴되고, 고전압 양극은 카보네이트계(탄산염계) 전해질에서 원활히 작동하지만 음극에서 화재의 원인인 덴드라이트(뾰족한 결정)를 형성하는 등 서로 간의 요구 조건이 상충해 상용화에 어려움이 있었다.

이를 해결하기 위해 리튬 금속을 합금 전극으로 개질하거나 음극 표면 코팅, 첨가제 설계 등 여러 전략이 제안되고 있지만, 뾰족한 해법은 되지 못하는 실정이다.

연구팀은 이런 상충관계 문제를 해결하기 위해 UV 경화 공정을 활용한 ‘공간 분리 전해질(Regionally Localized Electrolyte, RLE)’ 개념을 도입했다. 이는 전해질을 전극 특성에 맞춰 공간적으로 분리하는 것이다. 음극 표면에는 음극 친화적인 에테르계 층을 고정하고 나머지 공간은 고전압 구동에 유리한 카보네이트계 전해질로 채우는 방식이다. 전해질이 물리적으로 분리되면서도 각 위치에서 독립적으로 최적의 성능을 내도록 설계했다.

실험 결과, 음극에선 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제해 안전성을 확보했고, 양극에선 고전압에 의한 전해질 부식 문제를 해결했다. 특히 비싼 고농도 전해질을 필요한 부위에만 적용함으로써 고비용과 공정의 복잡성을 동시에 극복했다.

조 교수는 “단일 전해질이 모든 전극을 만족하기 어렵다면 각 전극에 적합한 전해질을 맞춤형으로 분리 적용하는 게 해법”이라며 “이번 연구가 리튬 금속 배터리의 안전성을 확보하고 고농도염 전해질의 상용화를 앞당기는 이정표가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 논문은 재료 과학 분야의 세계적 권위지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials·첨단 기능성 소재)’에 지난달 13일 게재됐다. 한양대 ERICA 임은빈 석사과정생이 제1저자, 한양대 조국영 교수와 공주대 윤수근 교수가 공동 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업과 산업통상부·한국산업기술기획평가원의 지원을 받아 수행됐다.