화학연, 리튬 보호막 제조 기술 개발...배터리 폭발 막는다

[석대건 기자]

(왼쪽부터) 최준영 학생연구원(1저자, 화학연, UST), 석정돈 책임연구원(교신저자, 화학연) [사진: 한국화학연구원]

[디지털투데이 석대건 기자] 한국화학연구원은 리튬금속전지 덴드라이트 문제 해결을 위한 박막 보호막 전사 인쇄 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

한국화학연구원 석정돈 박사 연구팀은 고체 고분자와 세라믹을 복합한 하이브리드 보호막을 리튬금속에 전사 인쇄 방식으로 적용해 덴드라이트 성장을 억제하는 기술을 개발했다.

이번 기술은 기존 습식 방식과 달리 리튬금속 표면을 손상시키지 않으면서 대면적에 균일하게 코팅할 수 있는 전사 인쇄 방식을 적용했다. 이번 기술로 리튬금속전지 상용화에 한 걸음 다가섰다는 평가를 받고 있다고 연구원은 설명했다.

리튬금속전지는 흑연 대신 리튬금속을 음극으로 사용하는 차세대 이차전지다. 이론 용량상 같은 무게의 기존 흑연 음극 리튬이온전지보다 약 10배 많은 전기를 저장할 수 있다. 전고체전지 및 리튬-황 전지 등 고에너지밀도 이차전지 핵심 소재로 주목받고 있다.

리튬금속은 충·방전 중 표면에 나뭇가지처럼 자라는 덴드라이트(dendrite)로 인해 단락·화재 위험이 크고 수명이 짧은 문제가 있다. 이를 막는 보호막 형성도 기존 습식 공정의 유기용매로 인한 잔류물과 리튬 손상 가능성이 높아 대면적 공정과 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 '알루미나-금 이중 보호막'과 '세라믹(Al-LLZO)-고분자 복합 하이브리드 보호막'을 각각 개발했다. 이를 리튬 금속 표면에 얇게 부착하는 전사 인쇄 공정을 세계 최초로 구현했다.

전사 인쇄 공정은 별도 기판 위에서 보호막 박막을 제조한 뒤 리튬 금속에 롤 압착 방식으로 물리적 전사하는 기술이다. 보호막-리튬 부착 시 용매를 쓰지 않아 리튬 손상을 방지하며, 리튬 전극의 두께 불균일성을 극복해 우수한 균일도와 공정 반복성을 확보할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

선행 연구에서는 '알루미나-금 이중 보호막'을 통해 높은 기계적 강도와 낮은 계면 저항을 바탕으로 덴드라이트 성장 억제와 안정적 충·방전을 유도했다. 리튬 계면 안정화와 기존 습식 코팅 공정의 한계를 동시 해결할 대안으로 전사 인쇄 방식을 최초로 제시했다.

후속 연구로 '이온전도성이 높은 세라믹과 유연한 고분자를 합친 하이브리드 보호막'을 대면적으로 얇고 균일하게 전사하는 기술을 개발했다. 이 보호막은 리튬과 전해질 사이에서 덴드라이트 성장 억제와 리튬 이온 흐름을 유도해 안정적인 충·방전을 돕는다. 5마이크로미터(㎛) 두께 초박막 보호막을 245×50mm의 대면적에 균일하게 전사할 수 있는 공정을 입증했다.

해당 보호막은 파우치셀에서도 유효성을 확인했으며, 100회 충·방전 후에도 81.5%의 용량 유지율을 달성했다고 전했다.

55.34밀리볼트(mV)의 낮은 과전압, 99.1%의 쿨롱 효율(충전 용량 대비 방전 용량 비율)을 보였다. 보호막이 없는 경우보다 2배 이상 향상된 수명 특성을 나타냈다. 배터리를 9분 이내 완전 방전시키는 고출력 조건에서도 74.1%의 용량을 유지했다.

전사 인쇄 세라믹-고분자 하이브리드 보호막 (THPL) 제조를 위한 연속 공정 개략도 [사진: 한국화학연구원]

연구팀은 이 기술이 고에너지밀도 리튬금속전지 상용화 핵심 요소로서 향후 전기차(EV)·에너지저장장치(ESS) 등 고에너지 저장장치에 폭넓은 적용을 기대한다고 밝혔다. 이 기술은 리튬금속전지를 넘어 전고체전지, 리튬황전지 등 차세대 이차전지의 구현에도 기여할 것으로 예상된다.

연구진은 "이번 연구는 새로운 보호막 소재와 대면적 전사 인쇄 공정을 결합해 리튬금속전지 상용화의 걸림돌이었던 계면 안정성과 기존 코팅 공정의 한계를 동시에 극복한 성과"라고 설명했다.

이영국 화학연 원장은 "고에너지밀도 리튬금속전지 구현을 위한 가장 실용적인 해법 중 하나로, 글로벌 이차전지 경쟁력 확보에 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 재료·에너지 분야 국제학술지 Energy Storage Materials(IF : 20.2)에 알루미나-금 이중 보호막 연구와 하이브리드 보호막 연구가 각각 2025년 2월과 7월에 게재됐다.

이번 연구는 한국화학연구원 기본사업과 국가과학기술연구회(NST) 글로벌TOP전략연구단 사업 과제 (GTL24011-000)의 지원으로 수행됐다.

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