한양대 ERICA·공주대, 리튬 금속 배터리 '단일 전해질 딜레마' 풀었다

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 전해질에 대한 양극과 음극의 요구 조건이 서로 달라 발생하는 '단일 전해질의 딜레마'를 국내 연구진이 물리적 분리 기술을 통해 풀어냈다.

한양대 ERICA(에리카)는 배터리소재화학공학과 조국영 교수 연구팀이 공주대 신소재공학부 윤수근 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 리튬 금속 배터리의 전해질 성능 한계를 극복하는 설계 패러다임을 제시했다고 23일 밝혔다.

최근 전기차와 대용량 에너지 저장 장치(ESS) 시장이 급성장함에 따라, 기존 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 높은 리튬 금속 배터리가 차세대 전지로 손꼽히고 있다.

다만 리튬 금속 음극은 에테르계 전해질에서 안정적인 반면 고전압에서 쉽게 파괴되고, 고전압 양극은 카보네이트계 전해질에서 원활히 작동하지만 음극에서 화재의 원인인 덴드라이트를 형성하는 등 서로 요구 조건이 상충해 상용화에 어려움을 겪어왔다.

연구진은 이러한 한계를 해결하기 위해 UV 경화 공정을 활용한 '공간 분리 전해질(RLE·Regionally Localized Electrolyte)' 개념을 도입했다.

이는 전해질을 전극 특성에 맞춰 공간적으로 분리하는 기술로, 리튬 금속 음극 표면에는 음극 친화적인 에테르계 층을 고정하고 나머지 공간은 고전압 구동에 유리한 카보네이트계 전해질로 채우는 방식이다.

RLE 시스템을 적용한 결과, 음극에서는 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제해 안전성을 확보했으며 양극에서는 고전압에 의한 전해질 부식 문제를 해결했다. 특히 고가의 고농도 전해질을 필요한 부위에만 국소적으로 적용함으로써, 기존 한계였던 높은 비용과 공정의 복잡성을 동시에 극복하며 실용성을 극대화했다.

조 교수는 "단일 전해질이 모든 전극을 만족시키는 올라운드 플레이어가 되기 어렵다면, 각 전극에 적합한 전해질을 맞춤형으로 분리 적용하는 것이 해법이 될 수 있다"며 "이번 연구가 리튬 금속 배터리의 안전성을 확보하고 고농도염 전해질의 상용화를 앞당기는 중요한 이정표가 될 것"이라고 밝혔다.

한편 임은빈 석사과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난달 13일 게재됐다.


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