광주과학기술원(GIST·지스트)이 리튬금속전지의 이동과 안정성을 결정하는 표면을 2분 만에 형성하는 기술을 개발했다.

9일 GIST에 따르면 엄광섭 신소재공학과 교수팀은 짧은 전기 신호를 반복적으로 가해 전극 표면을 정밀하게 다듬는 방식으로 리튬 금속이 고르게 쌓일 수 있는 안정적인 계면을 구현했다.

리튬금속전지는 이론적으로 매우 많은 에너지를 저장할 수 있어 차세대 고에너지 배터리로 큰 잠재력을 지닌 기술이다.

그러나 충·방전 과정에서 리튬 이온이 계면을 따라 고르게 이동하지 않으면 음극 표면에 리튬이 한쪽으로 쌓이면서 뾰족한 결정 구조인 ‘덴드라이트’가 자라날 수 있다.

덴드라이트가 성장하면 전극 계면이 불안정해지고 배터리 성능과 수명이 빠르게 떨어진다. 이 때문에 리튬금속전지를 실제로 사용하기 위해서는 리튬 이온이 빠르고 균일하게 이동하도록 제어할 수 있는 새로운 전극·계면 설계 기술이 필요하다.

연구팀은 필요한 기능만 살리고 부작용은 줄이는 정밀한 설계 전략을 적용했다. 이를 통해 주석(Sn)을 원자 수준으로 극소량만 도입해 재료가 과도하게 섞이거나 변형되는 문제 없이도 리튬이 잘 달라붙는 음극 계면을 만드는 데 성공했다.

음극 계면 구조를 통해 리튬 이온이 이동하는 속도를 기존 구리 계면보다 약 24배 빠르게 만들었다. 그 결과 리튬금속전지에서 오래된 문제로 꼽혀 온 리튬이 고르게 쌓이지 않는 현상과 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있었다.

엄광섭 교수는 “이번 연구는 2분 이내에 구현 가능한 간단한 공정으로도 고속 충전과 긴 수명을 동시에 확보할 수 있어 기존 배터리 제조 공정에 바로 적용할 수 있는 실용적 기술”이라고 말했다.

엄광섭 교수(교신저자)가 지도하고 이창현 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업과 미래방사선 강점기술 고도화사업의 지원을 받았다. /박선옥 기자