[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 반도체 초미세 공정과 신소재 기술을 통해 차세대 전기차와 도심항공교통(UAM)의 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있는 ‘무음극 리튬 금속전지’의 최대 난제인 수명 및 안전성 저하 문제를 해결했다.
한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이진우·정희태 교수 연구팀이 경북대, 나노종합기술원과 공동으로 반도체 소자용 2차 스퍼터링 리소그래피(SSL) 공정을 배터리 집전체에 적용해 무음극 전지의 수명을 획기적으로 연장하는 기술을 개발했다.
음극재를 없앤 무음극 전지는 공간과 무게를 크게 줄일 수 있으나 충·방전 시 리튬이 나뭇가지 모양으로 자라는 덴드라이트(Dendrite) 현상으로 인해 전지 수명이 단축되는 치명적인 단점이 존재했다.
기존 연구처럼 리튬을 추가 보충하거나 두꺼운 보호막을 씌우는 방식은 무음극 전지 고유의 경량화·고에너지 밀도 이점을 저해하는 한계가 있었다.
연구팀은 재료를 덧붙이는 대신 구리 집전체 표면에 직경 약 300nm, 높이 약 150nm의 미세 구리 나노튜브 구조를 형성해 비표면적(면적증대계수)을 평평한 표면 대비 약 4배 확충했다.
이를 통해 국부적인 전류 집중을 완화하고 리튬이 고르고 안정적으로 석출될 수 있는 공간적 기반을 마련했다.
구리 나노튜브 표면에는 약 10nm 두께의 2차원 신소재 맥신(Ti₃C₂Tₓ)을 초박막으로 도포했다.
맥신 표면은 전해질 내 음이온(PF₆⁻)을 선택적으로 흡착·분해하여 배터리 구동 시 리튬플루오라이드(LiF)가 풍부한 무기물 기반 고체전해질계면(SEI) 보호막을 자연스럽게 형성하도록 유도한다.
연구팀은 시료의 대기 노출을 차단한 상태에서 엑스선 광전자 분광법(XPS), 비행시간형 이차이온 질량분석기(ToF-SIMS), 단면 투과전자현미경(TEM) 등 정밀 분석 기법을 동원해 맥신 표면의 반응 메커니즘과 나노 크기 LiF의 균일 분포 성상을 성황리에 규명했다.
대면적 파우치셀 평가에서도 실용 전지 적용 가능성이 확인됐다.
이진우 교수는 “추가적인 리튬이나 전해질 변경 없이 반도체 초미세 공정으로 공간 제어와 화학적 계면 안정화를 동시에 이뤄낸 것이 핵심 성과”라며 “전기차, UAM, 드론 등 고에너지 밀도가 필수적인 차세대 모빌리티 배터리 상용화를 앞당길 기반 기술이 될 것”이라고 설명했다.
