'무접촉 열처리' 방식을 통한 구리(111) 단결정 호일 제작. 연구그림=유니스트리튬 전지의 폭발 위험을 줄이기 위한 기술이 개발됐다. 구리 원자를 정밀하게 배열한 금속 호일을 사용해 리튬의 불균일한 성장을 억제함으로써 전지 안전성과 수명을 개선할 수 있을 것으로 전망된다.
유니스트(UNIST·울산과학기술원) 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀은 무접촉 열처리 기술로 얻은 구리(111) 단결정 호일을 무음극 리튬 전지에 적용해 수명과 효율을 크게 높였다고 26일 밝혔다. 이 호일은 리튬이 전지 표면에 균일하게 퍼지도록 유도해 덴드라이트 형성을 방지한다. 폭발 위험이 없는 무음극 리튬 전지 구현이 가능해진 것이다.
연구팀은 구리(111) 단결정 호일에서 리튬이 수직이 아닌 수평 방향으로 성장하도록 유도해 전지 내부에 발생하는 덴드라이트를 억제하는 데 성공했다. 덴드라이트는 리튬이 불균일하게 쌓여 나뭇가지 모양으로 성장하는 구조로, 전기적 단락을 일으켜 전지의 폭발 위험을 높이는 주요 원인이다.
충전 중 발생하는 덴드라이트 문제는 그동안 리튬 금속 전지 상용화의 큰 걸림돌이었다. 연구팀은 IBS 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프(UNIST 특훈교수) 연구팀, 강원대 진성환 교수팀, KAIST 서동화 교수팀과 협력해 리튬이 안정된 사방 십이면체 결정 구조로 균일하게 자라도록 함으로써 전지의 효율과 안전성을 향상시킬 수 있음을 확인했다.
연구팀은 다양한 구리 호일에서 리튬 성장 패턴을 비교한 결과, 원자들이 불규칙하게 배열된 고 밀러 지수 결정면이 덴드라이트 형성의 원인임을 밝혀냈다. 차세대 금속 기판 개발에 중요한 방향을 제시한 것이다.
제1저자 김민호 연구원은 “리튬 금속의 불균일한 성장을 근본적으로 해결함으로써 차세대 리튬 전지 상용화를 앞당기는 계기가 될 것”이라고 말했다.
이현욱 교수는 “기존의 리튬 전지 연구는 충전에만 초점을 맞춰 한계가 있었다”며 “앞으로 충전과 방전을 모두 고려한 기술 개발이 이루어질 때, 궁극적인 꿈의 전지인 무음극 리튬 전지의 개발이 가능할 것”이라고 강조했다.
연구는 UNIST 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단 2차전지 국제공동연구 사업, 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업, IBS 기초과학연구소 지원사업으로 수행됐다. 연구 결과는 9월 21일 세계적 학술지 에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science) 속표지 논문으로 선정되어 출판됐다.
