숙명 여 대 와 3 차원 다공성 구리 집 전체 기술 공동 연구 리튬 금속 이차 전지 걸림돌 '덴 트 라이트' 성장 제어 가능
리튬을 음극 재로 사용하는 리튬 금속 이차 전지는 상용 리튬 이온 전지보다 높은 부피 당 에너지 밀도(1000Wh/L)를 갖고 있어 차세대 전지로 주목 받고 있지만 리튬 덴 드 라이트(Dendrite) 형성 문제가 발생한다.
덴 드 라이트는 전지의 고장이나 폭발로 이어질 수 있는 단락(Short Circuit)을 유발하는 나뭇가지 모양의 결정으로, 전극 표면에 덴 드 라이트가 생기면 리튬 이온의 이동이 원활하지 못해 전지 효율과 수명도 줄어든다.
이번에 생 기원 친환경열표면처리연구부문 오 세 권 박사 팀은 숙명 여자 대학교 류 원 희 교수 팀과 함께 무 음 극 전지(Anode Free) 시스템에서 리튬 덴 드 라이트 성장을 제어할 수 있는 집 전체 개발에 나섰다. .
무 음 극 전지 시스템은 음극 재를 없애 부피와 무게를 줄여 에너지 밀도를 높이는 새 기술로 이 시스템에서는 집 전체가 기존 전자 이동 통로로 기능하고 음극 역할까지 대신할 수 있다.
이를 위해 오 박사 팀은 전해 도금 기술을 활용해 리튬 덴 드 라이트 성장을 제어하는 데 최적의 구조(기 공 12㎛, 두께 17㎛)를 갖는 3 차원 다공성 구리 집 전체를 설계하고 이를 기반으로 무 음극 전지(Anode Free) 시스템을 구현하는 데 성공했다.
또 숙명 여 대 류 교수 팀은 개발된 3 차원 다공성 구리 집 전체를 무 음극 전지 시스템에 적용, 성능 평가 및 덴 드 라이트 제어 매 커 니즘을 규명했다.
개발된 3 차원 다공성 구리 집 전체는 리튬 충· 방전 시 수직 형태로 리튬 덴 드 라이트를 형성하는 기존 박막 형태의 집 전체와 달리 3 차원 다공성 구조 체 내에서 고립된 형태로 전 착 됐다가 분리된다.
이 경우 리튬 이온이 다공성 구조에 갇혀 집 전체 구조 밖에서 성장하지 못하기 때문에 양극과 만나지 않아 덴 드 라이트로 인한 폭발 등 안전성 문제를 근본적으로 제거할 수 있다.
특히 검증에서 개발된 3 차원 다공성 집 전체는 전지 안전성 향상 효과는 물론 기존 구리 박막 집 전 체 대비 충· 방전 시 부피 팽창 률을 약 1/4 수준으로 감소 시키고 리튬 핵 생성 과전압도 50%가량 낮추는 것으로 확인됐다.
연구 성과는 지난 8월 화학 공학 분야 세계적 학술지 'Chemical Engineering Jorunal' 온라인 판에 게재된 데 이어 지난 15일 출판됐다.(논문 명: Li-Dendrite cage electrode with 3-D interconnected pores for Anode-Free Lithium-Metal batteries)
오 세 권 박사는 "뿌리 기술인 전해 도금 기술을 활용해 차세대 리튬 금속 전지의 안전성을 높일 수 있는 무 음극 집 전체 기술을 개발했다"며 "전해 도금 기술을 기반으로 한 에너지 전극 재료 연구 개발을 지속해 차세대 이차 전지 실용화에 기여하겠다"고 말했다.
