[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 전기차 배터리의 무게와 부피를 줄이면서 에너지 밀도를 높일 수 있는 '무음극 전지'의 수명을 늘릴 수 있는 기술이 개발됐다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)는 생명화학공학과 이진우·정희태 교수팀이 경북대, 나노종합기술원과 함께 반도체 제작에 쓰이는 초미세 공정을 배터리에 적용해 리튬이 고르게 쌓이는 구조와 안정적인 보호막을 동시에 구현했다고 22일 밝혔다.

무음극 전지는 흑연 등 음극재 대신 충전 과정에서 양극의 리튬을 구리 집전체 위에 직접 석출시키는 방식으로 음극 활물질을 없애 배터리 무게와 부피를 줄이고 에너지 밀도를 높일 수 있다.

하지만 충·방전을 반복하면 리튬이 고르게 쌓이지 않고 나뭇가지나 가시처럼 자라는 '덴드라이트'가 형성돼 전지 수명과 안전성이 떨어지는 문제가 있다.

이번에 공동 연구팀은 별도의 재료를 추가하는 대신 리튬이 쌓이는 구리 집전체의 표면 구조 자체를 바꾸는 방법을 도입했다. 반도체 초미세 공정인 '이차 스퍼터링 리소그래피(SSL)'를 활용해 구리판에 직경 약 300㎚(나노미터), 높이 약 150㎚의 미세한 관 모양구조를 약 1㎛ 간격으로 만들었다.

이 구조는 리튬이 석출될 수 있는 표면적을 평평한 구리판보다 약 4배 넓혀 특정 지점으로 전류가 집중되는 현상을 줄이고 리튬이 균일하게 핵생성·성장할 수 있는 공간을 제공한다.

여기에 2차원 신소재인 '맥신(MXene)'을 약 10㎚ 두께로 코팅했다. 맥신은 전해질 성분(PF₆⁻)의 흡착과 분해 반응을 유도해 리튬플루오라이드(LiF)가 풍부한 무기물 기반 보호막이 형성되도록 하고 이 보호막은 리튬과 전해질 사이의 불필요한 반응을 줄이고 덴드라이트 성장을 억제한다.

연구팀은 X선 광전자 분광법(XPS), 비행시간형 이차이온 질량분석기(ToF-SIMS), 투과전자현미경(TEM) 등을 이용해 맥신을 따라 보호막이 형성되는 과정과 계면의 구조·화학적 특성을 규명했다. 또 대면적 파우치형 전지 평가를 통해 실제 전지 형태에 적용할 가능성도 확인했다.

이번 기술은 여분의 리튬이나 두꺼운 보호층을 추가하지 않고 반도체 초미세 공정으로 리튬의 석출 공간과 안정적인 보호막을 동시에 구현했다는 점에서 의미가 있다.

배터리 무게와 부피 증가를 최소화하면서 수명을 높여 고에너지 무음극 전지의 실용화를 앞당기는 기술이 될 것으로 기대받는 이번 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'온라인판에 지난 1일 게재됐으며 KAIST 김은지·정현주·김진욱 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.

이진우 교수는 "전해질을 바꾸거나 여분의 리튬을 넣지 않고 반도체 초미세 공정으로 리튬이 고르게 쌓일 공간과 안정적인 보호막을 함께 만들었다"며 "배터리 무게와 부피 증가를 최소화하면서 수명을 늘려 고에너지 무음극 전지의 실용화를 앞당길 기반 기술이 될 것"이라고 말했다.


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