리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 차세대 이차전지로, 이론 용량이 같은 무게의 흑연 음극 리튬이온전지 보다 10배 많아 전고체전지, 리튬-황전지 등 고에너지밀도 이차전지 핵심소재로 주목받고 있다.
그러나 리튬금속은 충·방전 중 표면에 나뭇가지처럼 자라는 덴드라이트 가 발생해 수명이 짧고 화재로 인한 열폭주 위험이 있다.
이를 막기 위해 보호막 기술을 적용하고 있지만, 기존 습식공정은 유기용매로 인한 잔류물과 리튬 손상 가능성이 높아 대면적 공정 및 상용화에 한계가 있었다.
덴드라이트 해소 이차전지 전사인쇄
한국화학연구원(이하 화학연)이 차세대 리튬금속전지의 최대 난제인 덴드라이트 문제를 해결할 수 있는 보호막 전사인쇄기술을 개발했다.
이 기술은 기존 습식기술과 달리 리튬금속 표면을 손상시키지 않으면서도 대면적에 균일 코팅할 수 있는 전사 인쇄방식으로 상용화 가능성을 높인 것이 특징이다.
화학연 석정돈 박사 연구팀은 고체 고분자와 세라믹을 복합한 하이브리드 보호막을 리튬금속에 전사인쇄방식으로 적용, 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 기술을 개발했다.
연구팀은 알루미나-금으로 구성된 이중 보호막과 세라믹 ‘Al-LLZO’과 고분자를 복합한 하이브리드 보호막을 각각 개발해 이를 리튬금속 표면에 얇게 부착하는 전사인쇄 공정을 최초로 구현했다.
전사인쇄 공정은 별도의 기판 위에서 보호막 박막을 형성하고, 이를 리튬금속에 롤 압착방식으로 밀착 전사하는 기술이다. 이는 용매를 전혀 사용하지 않는 필름전사로 리튬의 손상을 방지할 수 있고, 리튬 전극의 두께가 불균일함에도 우수한 균일도와 공정의 안정성 및 반복성을 확보할 수 있다.
연구팀은 선행 연구로 개발한 알루미나-금 이중보호막이 갖는 높은 기계적 강도와 낮은 계면저항 특성을 바탕으로 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제해 안정적인 충·방전을 유도하는 성능을 확보했다.
이 기술은 전사인쇄 방식을 리튬금속 보호막 형성에 적용한 최초 사례로, 리튬계면 안정화와 기존 습식코팅 공정의 한계를 동시에 해결했다.
아울러 연구팀은 높은 이온전도성을 가진 세라믹과 유연한 고분자를 합친 하이브리드 보호막을 개발, 이를 리튬표면에 얇고 균일하게 부착하는 대면적 전사인쇄 공정을 개발했다.
이 보호막은 리튬과 전해질 사이에서 덴드라이트 성장을 억제하고, 균일한 리튬이온 흐름을 유도해 안정적인 충·방전을 돕는다.
특히 이번 기술의 핵심 성과는 두께 5㎛ 초박막 보호막을 245×50㎜ 대면적 리튬금속에 균일하게 전사 인쇄할 수 있는 공정을 구현한 것. 이를 통해 알루미나-금 이중보호막 기술이 상용화에 적합한 제조 확장성을 입증했다.
이번에 개발한 하이브리드 보호막은 파우치셀 적용에서도 우수한 성능을 입증했다.
평가결과 100회 충·방전 후 용량유지율이 81.5% 이상을 기록했고, 55.34㎷의 낮은 과전압, 99.1% 이상의 쿨롱 효율을 달성했다.
특히 보호막이 없는 경우보다 2배 이상 향상된 수명 특성을 확보했다.
실제 배터리를 약 9분 이내에 모두 방전시키는 ‘7C 고출력 조건(12.88㎃/㎠)에서도 74.1%의 용량을 유지, 보호막이 없는 경우 보다 더 빠르고 안정적인 고율 충·방전 특성을 보였다.
이 기술이 고에너지밀도 리튬금속전지 상용화에 핵심으로 적용되면 전기차나 에너지저장장치(ESS) 등에 폭넓게 적용할 수 있고, 전고체전지나 리튬황전지 등 차세대 이차전지 발전에도 기여할 전망이다.
석 박사는 “이번 연구는 새로운 보호막 소재와 대면적 전사 인쇄 공정을 결합해 리튬금속전지 상용화의 걸림돌이었던 계면 안정성과 기존 코팅 공정의 한계를 동시에 극복한 성과”라며 “ 용매가 없는 고체막 구조 특성으로 전고체전지 계면 안정화용 인터페이스에도 적용 가능할 것으로 기대된다”고 설명했다.
한편, 이번 연구성과는 화학연-UST 스쿨 최준영 학생연구원이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 알루미나-금 이중 보호막 연구와 하이브리드 보호막 연구 두 논문으로 각각 지난 2월과 이달에 국제학술지 ‘Energy Storage Materials(IF : 20.2)’에 게재됐다.
