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왼쪽부터 유종성 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 교수, 성종훈 박사과정생, 강준희 부산대 나노에너지공학과 교수, 이운환 석사과정생. DGIST 제공

국내 연구팀이 전해질 첨가제를 개발하고 적용해 차세대 전지인 리튬(Li) 금속 전지의 음극 안정성을 향상했다. 간단한 방법으로 전지 수명을 기존보다 7배 연장하는 데 성공했다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 유종성 에너지공학과 교수팀이 강준희 부산대 나노에너지공학과 교수팀과 공동연구를 통해 전해질 첨가제를 사용해 20마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만분의 1미터) 두께의 초극박 리튬 금속 음극의 안정성을 개선하는 데 성공했다고 1일 밝혔다. 연구결과는 3월 12일(현지시간) 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 공개됐다.

리튬 금속 음극은 현재 널리 사용되는 흑연 음극보다 에너지 용량이 이론상 10배 이상 크다. 충·방전 과정에서 리튬 금속이 음극에서 불규칙한 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라나는 덴드라이트 현상이 상용화 걸림돌로 지적된다. 덴드라이트는 전지 단락과 열폭주 현상 등을 유발해 안정성과 수명 문제를 일으킨다.

리튬 금속 전지 상용화를 위해서는 50㎛ 이하의 매우 얇은 리튬 금속 음극 사용이 필수적이지만 리튬의 두께가 얇아질수록 덴드라이트 문제 등이 심화된다. 전해질에 첨가제를 넣어 음극 표면에 얇은 층인 '고체 전해질 계면(SEI)'을 형성하는 방안이 대안으로 주목받고 있다.

선행 연구에 따르면 음극 표면에 기계적 강도가 높은 불화리튬(LiF)이 형성되면 전지 안정성이 향상된다. 음극 표면에 금속인 은(Ag) 계면이 형성되면 리튬과의 합금 반응을 통해 리튬이 음극에 균일하게 전착되도록 유도해 덴드라이트 형성을 억제한다는 연구결과도 보고됐다. 음극에 은과 불화리튬 층을 동시에 형성하는 단일 첨가제에 대한 연구는 아직 진행된 바 없다.

연구팀은 은과 불소(F)를 모두 포함한 전해질 첨가제인 AgTFMS(화학식 AgCF3SO3)를 도입해 덴드라이트 성장과 전지 수명 문제를 해결했다. 리튬 금속 음극 표면 분석을 통해 AgTFMS가 포함된 전해질을 사용할 경우 음극 표면에 은과 불화리튬이 동시에 형성된다는 사실이 확인됐다. 전해질 첨가제 실험을 통해 리튬 금속 전지 수명이 기본 대비 7배 이상 연장됐다. 강 교수팀은 리튬과 은 사이의 상호작용을 분석해 안정성이 향상된 원인을 규명했다.

연구팀은 "첨가제만을 활용해 간단하고 효과적으로 리튬 금속 음극의 한계를 극복했다는 것이 큰 의미"라며 "양산 단계 검증 등을 포함한 본격 상용화까지는 약 2년 정도 시간이 걸릴 것으로 예상한다"고 설명했다.

유 교수는 "이번 연구는 초극박 리튬 금속의 한계를 극복하고 리튬 금속 전지의 안정성을 크게 향상시키는 데 중점을 뒀다"며 "리튬 금속 전지가 전기차, 무인기, 선박 등 다양한 분야에서 지속 가능한 에너지 저장 장치로 상용화되기를 기대한다"고 말했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/aenm.202500279

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]

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