DGIST-부산대 공동 연구팀, 초극박 리튬 금속 음극의 안정성 향상 기술 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 유종성 교수팀이 20μm 두께의 초극박 리튬 금속 음극의 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 기술을 개발했다. 연구팀은 기존 리튬 금속 전지의 상용화를 가로막는 수명 및 안전성 문제를 해결하기 위해 전해질 첨가제를 활용하는 방법을 제안했다.

리튬 금속 음극은 현재 널리 사용되는 흑연 음극보다 10배 이상 용량을 가지며, 낮은 표준 환원 전위를 갖춰 차세대 음극재로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 리튬 금속이 덴드라이트 형태로 성장하며 전극 간 단락과 열 폭주를 유발해 수명과 안전성 문제가 발생한다. 또한, 부피 팽창으로 인해 고체 전해질 계면(Solid Electrolyte Interphase, 이하 'SEI')이 반복적으로 손실·형성되면서 전해질이 급격히 소모되는 한계가 있었다.

리튬 금속 전지의 상용화를 위해서는 50μm 이하의 초극박 리튬 금속을 사용하는 것이 필수적이나, 두께가 얇아질수록 위와 같은 문제는 더욱 심화된다. 이에 따라 연구기관 및 산업계는 리튬 금속 음극의 안정성을 높이기 위한 SEI 설계 연구에 집중하고 있으며, 그중에서도 전해질 첨가제를 활용한 SEI 형성 기술이 간단하면서도 효과적 대안으로 주목받고 있다.

기존 연구에서는 '불화 리튬(이하 'LiF')'이 기계적 강도가 높아 '리튬(이하 'Li')' 금속 음극의 안정성 향상에 기여한다는 점이 밝혀졌으며, 최근에는 '은(이하 'Ag')'이 리튬과의 합금 반응을 통해 균일한 리튬 전착을 유도하는 역할을 한다는 연구 결과도 보고됐다. 하지만, Ag와 LiF를 동시에 형성하는 단일 첨가제에 대한 연구는 아직 이뤄지지 않았다.

이에 유종성 교수팀은 전해질 첨가제로 Silver Trifluoromethanesulfonate(AgCF₃SO₃, 이하 'AgTFMS')를 도입해 덴드라이트 성장과 낮은 사이클 수명 문제를 해결했다. 연구팀은 다양한 표면 분석을 통해 AgTFMS가 포함된 전해질을 사용할 경우 리튬 금속 표면에 Ag와 LiF가 동시에 형성됨을 확인했다. 이를 바탕으로 초극박(20μm) 리튬 금속 음극의 안정성을 향상시키는 데 성공했으며, 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제하고 전지의 수명을 기존 대비 7배 이상 연장할 수 있음을 실험적으로 검증했다. 또한, 부산대 강준희 교수 연구팀이 계산화학을 활용해 Li와 Ag 간의 상호작용 에너지를 분석하며 안정성 향상의 원인을 규명했다.

DGIST 유종성 교수는 “이번 연구는 초극박 리튬 금속의 한계를 극복하고, 리튬 금속 전지의 안정성을 크게 향상시키는 데 중점을 두었다”며, “특히 간단한 방법으로 성능이 우수한 SEI를 형성함으로써 리튬 전지의 수명과 효율을 동시에 만족하는 기술을 개발했다. 이를 통해 리튬 금속 전지가 전기차, 무인기, 선박 등 다양한 분야에서 지속 가능한 에너지 저장 장치로 상용화되기를 기대한다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업(2024년)의 지원을 받아 수행됐으며, 부산대학교 나노에너지공학과 강준희 교수팀과의 공동 연구로 진행됐다. 연구 결과(제1저자: DGIST 에너지공학과 성종훈 박사과정생, 공동저자: 부산대 이운환 석사과정생)는 세계적 학술지 'Advanced Energy Materials'에 게재됐다.