3차원 다공성 구리 음극 집전체 합성 과정 모식도 및 리튬 덴드라이트 제어·성장 메커니즘.[한국생산기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 3차원 다공성 구리 집전체 기술을 개발, 안전성이 뛰어난 무음극 리튬금속 전지 시스템을 구현하는 데 성공했다.

리튬을 음극재로 사용하는 리튬금속 이차전지는 상용 리튬이온전지 대비 높은 부피당 에너지밀도(1000Wh/L)를 갖고 있어 차세대 이차전지로 주목받고 있지만, 리튬 덴드라이트(Dendrite) 형성이 최대 단점으로 꼽힌다.

덴드라이트는 전지의 단락을 유발하는 나뭇가지 모양의 결정으로, 금속 이온이 음극에 축적되어 형성된다.

전지의 단락은 고장이나 폭발로 이어질 수 있고, 전극 표면에 덴드라이트가 형성되면 리튬 이온의 이동이 원활하지 못해 전지 효율과 수명이 줄어들기 때문에 덴드라이트 형성을 막는 기술 개발이 요구되고 있다.

한국생산기술연구원 친환경열표면처리연구부문 오세권 박사 연구팀과 숙명여자대학교 화공생명공학부 류원희 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 무음극 전지(Anode Free) 시스템에서 리튬 덴드라이트 성장을 제어할 수 있는 집전체 개발에 주목했다.

무음극 전지 시스템은 음극재를 없애 부피와 무게를 줄임으로써 에너지 밀도를 높이는 새로운 개념으로, 이 시스템에서는 집전체가 기존 전자 이동 통로로서의 기능 뿐 아니라 음극 역할까지 대신하게 된다.

연구팀은 3차원의 다공성 구조를 갖는 구리 집전체를 개발하고, 이를 기반으로 무음극 전지(Anode Free) 시스템을 구현하는 데 성공했다.

오세권 박사 연구팀은 전해도금 기술을 활용해 리튬 덴드라이트 성장을 제어하는 데 있어 최적의 구조(기공 12㎛, 두께 17㎛)를 갖는 3차원 다공성 구리 집전체를 설계했다.

오세권(왼쪽) 한국생산기술연구원 박사, 숙명여자대학교 류원희 교수.[한국생산기술연구원 제공]

개발된 3차원 다공성 구리 집전체는 리튬 충·방전 시 수직 형태로 리튬 덴드라이트를 형성하는 기존 박막형태의 집전체와 달리, 3차원 다공성 구조체 내에서 고립된 형태로 전착되었다가 가역적으로 탈리된다.

이 경우 리튬 이온이 다공성 구조에 갇혀 집전체 구조 밖에서 성장하지 못 하기 때문에 양극과 만나지 않아 덴드라이트로 인한 폭발 등 안전성 문제의 근본 원인을 제거할 수 있다.

류원희 교수 연구팀은 개발된 3차원 다공성 구리 집전체를 무음극 전지시스템에 적용, 성능평가 및 덴드라이트 제어 매커니즘을 규명하는 연구를 담당했다.

3차원 다공성 집전체는 전지의 안전성 향상 효과 외에도, 기존 구리 박막 집전체 대비 충·방전 시 부피 팽창률을 약 1/4 수준으로 감소시키고, 리튬 핵생성 과전압도 50% 가량 낮추는 것으로 나타났다.

개발한 3차원 다공성 구리 집전체는 12㎛의 미세 기공 들로 이루어져 있어 기공 안쪽에서부터 리튬 덴드라이트가 형성되고, 가역적으로 탈리되어 부피 팽창을 크게 줄일 수 있다.

또한 급속 충·방전을 위한 높은 전류밀도(5㎃/㎠)에서도 리튬 핵생성 과전압이 낮게 유지되는 것으로 확인됐다.

오세권 박사는 “뿌리기술인 전해도금기술을 활용해 차세대 리튬금속전지의 안전성을 높일 수 있는 무음극 집전체 기술을 개발한 것에 의미가 있다”며 “앞으로도 전해도금기술을 기반으로 한 에너지 전극재료 연구 개발을 지속해 차세대 이차전지 실용화에 기여하겠다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 화학분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’ 10월 15일 출판됐다.