고려대 연구팀, 리튬 금속 배터리 수명 개선 초박막 코팅 개발

[이데일리 김응열 기자] 고려대는 화공생명공학과의 조진한 교수 연구팀이 복잡한 나노입자 대신 간단한 은 이온 공정만으로 리튬 금속 배터리의 수명과 안정성을 개선하는 초박막 코팅 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

(왼쪽부터)조진한 고려대 화공생명공학과 교수, 박용민 DGIST 에너지환경연구부 박사(공동 교신저자), 이승우 조지아텍 기계공학과 교수(공동 교신저자), 백서인 고려대 KU-KIST 융합대학원 교수(공동교신저자), 남동현 조지아텍 기계공학과 박사(제1저자). (사진=고려대)

리튬 금속은 에너지를 많이 저장할 수 있고 전압 손실이 적어 차세대 고에너지 배터리의 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 덴드라이트(충·방전 과정에서 리튬 금속이 나뭇가지 모양으로 자라나는 현상)가 자라면 내부 단락이나 폭발 위험이 커질 수 있다. 배터리 수명과 효율이 떨어지는 문제도 있다. 이에 리튬이 균일하게 쌓이도록 보호막을 형성하는 기술이 필요하다.

이를 위해 조진한 교수 연구팀은 은 이온과 트리티오시아누르산(TCA)을 번갈아 쌓는 배위결합 기반 층상자기조립(CB-LbL) 공정을 활용했다. 그 결과 니켈로 도금된 섬유형 전극 지지체 위에 40나노미터(nm) 이하 두께의 초박막 금속-유기 골격체(MOF)를 균일하게 형성할 수 있었다.

전지 작동 과정에서 MOF 내부의 은 이온은 자연스럽게 은 나노입자로 변하며 리튬이 고르게 쌓이도록 돕는다. 동시에 TCA 성분은 안정적인 보호막을 형성해 장시간 사용해도 전극이 손상되지 않도록 한다. 덴드라이트 생성을 억제하면서도 충·방전 효율을 유지할 수 있게 됐다.

연구팀이 개발한 전극을 적용한 리튬 금속 배터리는 2000시간 이상 안정적으로 구동했다. 일반 양극을 사용한 전지에서도 1300회 이상 충·방전 후 96% 이상의 용량을 유지했다.

조진한 교수는 “이번 연구는 복잡한 합성 과정을 거치지 않고 은 이온만으로 리튬 전극의 계면을 정밀하게 제어할 수 있다는 점을 입증했다”며 “향후 리튬뿐 아니라 나트륨·아연 등 다양한 금속 전지로도 확장 가능한 기술 플랫폼으로 발전할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견 도약과제 및 미래유망융합기술파이오니어 과제 지원을 받아 수행됐다.