대가 토토사이트학교 ERICA 에너지바이오학과 유원철 교수, 김병현 교수, 성균관대학교 정학성 박사 공동 연구팀이 차세대 리튬 금속 배터리의 덴드라이트 문제를 억제할 수 있는 계면 설계 전략을 제시했다. 연구팀은 나노다이아몬드와 탄소나노입자를 혼합해, 리튬 도금 과정에서 스스로 전도도 구배 이중층 구조를 형성하는 보호층을 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 복잡한 공정 없이도 고안전성 리튬 금속 음극을 구현할 수 있는 초석을 마련했다는 점에서 큰 주목을 받고 있다.

리튬 금속은 높은 이론 용량과 에너지 밀도를 가져 차세대 이차전지의 음극 소재로 주목받지만, 충전 과정에서 리튬 덴드라이트(나뭇가지 모양의 결정)가 성장해 성능 저하와 화재 위험이 존재한다는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 기존에도 보호층 연구가 진행되었으나, 전기적-화학적 비활성, 이온 전달성, 견고함을 동시에 만족시키기 어려워 상용화의 주요 과제로 꼽혀 왔다.

공동 연구팀이 개발한 기술의 핵심은 충·방전 시 발생하는 전기장으로 계면층 성분이 자발적으로 재배치된다는 점이다. 리튬 도금이 진행되면 전도성 탄소가 집전체 방향으로 이동해 전도성 하부층을 형성하고, 친리튬성으로 개질된 나노다이아몬드가 상부에 남아 이온 전도성이 뛰어나며 전자 차단이 가능한 절연 상부층을 만든다. 이와 같은 이중 구조는 국부적인 전류 집중과 덴드라이트 성장을 동시에 효과적으로 억제한다.

전극 시험 결과, 전도도 구배 이중층을 적용한 경우 5,800시간 동안 9.5 mV의 매우 낮은 과전압을 유지했으며, 700 사이클까지 98.8%의 용량을 보존하는 우수한 성능을 입증했다. 특히 실제 산업적 수준을 뛰어넘는 초고중량 양극 조건(93.8 mgLFP cm-2)에서도 50사이클 후 90.6%의 용량을 유지하며 차세대 고에너지밀도 리튬 금속 배터리의 실용화 가능성을 높였다.

유원철 교수는 “전기장에 의해 계면이 스스로 최적 구조로 정렬되는 메커니즘을 제시함으로써 고안전성 리튬 금속 음극의 실용화 가능성을 높였다”며, “이번 연구 성과가 차세대 배터리 시장의 핵심 기술로 활용되기를 기대한다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 에너지 분야 세계 최상위 학술지인 『Advanced Energy Materials (IF: 26.0)』 1월 19일 자에 게재 승인됐다.

해당 논문 「Electric-Field-Driven Bilayer Interphase from Oxygenated Nanodiamond-Carbon Nanoparticles for Dendrite-Free Lithium Metal Batteries」에는 한양대 ERICA 김재성·허인철·김동경 연구원이 참여했으며, 성균관대, 한국에너지기술연구원 등이 공동으로 이름을 올렸다.