KITECH

차세대 리튬금속전지용‘무음극 집전체 기술’개발

‘3차원 다공성 구리 집전체’기술 개발로 무음극 전지 시스템 구현

10월 15일, 국제학술지‘케미컬 엔지니어링 저널’게재

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 숙명여자대학교 연구팀과 공동으로 3차원 다공성 구리 집전체 기술 개발을 통해 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.

ㅇ 덴드라이트는 전지의 단락(Short Circuit)을 유발하는 나뭇가지 모양의 결정으로, 금속 이온이 음극에 축적되어 형성된다.

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

□ 생기원 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.

ㅇ 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 대신 하게 된다.

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

ㅇ 생기원 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.

ㅇ 전해도금 기술은 전기화학적인 방법으로 수용액 속 금속을 전도성 재료 표면에 환원 석출(Reduction)시키는 뿌리기술로, 연구팀은 도금 시 발생하는 수소 기체의 발생 속도 및 크기 등을 제어하는 방식으로 다공성 구조체를 제작했다.

ㅇ 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.

ㅇ 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.

ㅇ 한편 숙명여대 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.

ㅇ 공동 연구팀이 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.

ㅇ 또한 다공성 구조체의 넓은 표면적이 균일한 전류 밀도 및 리튬 이온의 분배를 유도해 급속 충·방전을 위한 높은 전류밀도(5㎃/㎠)에서도 리튬 핵생성 과전압이 낮게 유지되는 것으로 확인됐다.

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

□ 이번 연구 성과는 8월 14일 화학공학 분야 세계적 학술지 ‘Chemical Engineering Jorunal' 온라인 판에 게재된 데 이어 10월 15일 출판됐다.

* 논문제목: Li-Dendrite cage electrode with 3-D interconnected pores for Anode-Free Lithium-Metal batteries