포스텍, 리튬 배터리 '이중 보호막' 수명 5배↑

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 포스텍 연구팀이 '배터리 도둑'의 정체를 밝히고, 이를 막는 기술 개발에 성공했다.

최근 포스텍 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 강송규 박사, 배터리공학과 통합과정 홍서찬씨 연구팀이 리튬 금속 전지의 성능 저하 핵심 원인인 '리튬 부식' 현상을 분석하는 모델을 개발하고, 배터리 부식을 효과적으로 막는 이중 층 보호막 기술을 구현했다고 14일 밝혔다.

연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 실렸다.

리튬 금속은 차세대 에너지 저장 기술의 핵심 소재로, 전기차·스마트폰에 쓰이는 리튬 이온 전지보다 훨씬 많은 에너지를 더 작은 공간에 저장해 '꿈의 소재'로 불린다.
 
문제는 리튬이 워낙 반응성이 강하다는 점이다. 철이 공기 중 산소와 만나 서서히 녹슬듯, 리튬은 배터리 전해질과 만나는 순간 빠르게 반응하며 부식한다.
 
전극 표면에 '고체 전해질 계면'에 얇은 막이 생겨 전해질이 계속 소모되고 내부 저항이 커지며, 결국 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라는 '덴드라이트' 형성으로 배터리의 수명과 안전성을 동시에 갉아먹는다.

이 부식이 배터리를 충전하거나 방전하지 않는 동안에도 쉬지 않고 계속돼 전극 표면에 보호막을 씌우거나 인공 계면을 만드는 방식도 있지만 한계가 있었다.

연구팀이 개발한 '화학적 부식 소산 모델'은 리튬 부식과 계면 성장, 표면 구조 변화 간 관계를 하나의 통합된 수식으로 설명한다. 이를 통해 부식된 표면은 그 표면이 거칠어지고 균일하지 않아 다음 부식이 더 빠르게 진행되는 '악순환' 구조가 숨어 있다는 것을 확인했다.

연구팀은 이를 바탕으로 '이중 층 보호막'을 설계했다. 두 개의 층으로 이뤄진 보호막은 각 층이 서로 다른 역할을 맡는다. 바깥 층은 '리튬 폴리아크릴레이트' 기반의 고분자 층으로 이뤄져 전해질이 리튬 금속에 직접 닿지 못하도록 물리적으로 차단한다.
 
안쪽은 리튬-은(LiAg) 합금과 불화리튬(LiF) 성분이 결합한 계면 층이 있어 리튬 이온이 전극 안팎으로 빠르고 균일하게 이동하도록 돕는다. 바깥 층은 '방패', 안쪽 층은 '교통 정리 시스템' 역할을 하는 셈이다.

상용화 수준의 고용량 배터리(NCM811) 실험 결과, 고속 충방전 환경에 안정적으로 작동했고, 특히 배터리를 일정 시간 쉬게 하는 실사용 조건 평가에 애초보다 약 5배 향상된 수명을 기록했다. 파우치 셀에서 650회 이상 안정적으로 충방전 할 수 있어 장기 안정성을 입증했다.

김원배 교수는 "이번 연구는 리튬 금속 전지의 수명을 좌우하는 핵심 요인인 부식 현상을 정량으로 설명할 모델을 제시했다는 점에서 의미가 크다"며 "부식을 억제하며 리튬 이온 이동을 촉진하는 계면 설계 전략을 통해 리튬 금속 전지의 실용화를 앞당길 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 선도연구센터(ERC), 과학기술정보통신부 중견 연구 사업, 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업의 지원을 받아 수행했다.


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