[이데일리 신하영 기자] 한양대 ERICA 연구팀이 차세대 리튬금속 배터리의 덴드라이트 문제를 억제할 설계 전략을 개발했다.

한양대는 에너지바이오학과 유원철·김병현 교수팀이 성균관대 장학성 박사와의 공동 연구에서 이러한 성과를 거뒀다고 9일 밝혔다.

연구팀은 나노다이아몬드와 탄소나노입자를 혼합해, 리튬 도금 과정에서 스스로 이중 구조를 형성하는 보호층을 구현하는 데에 성공했다.

리튬 금속은 높은 이론 용량과 에너지 밀도를 가져 차세대 이차전지의 음극 소재로 주목받는다. 하지만 충전 과정에서 리튬 덴드라이트(dendrite)가 성장한다는 한계가 있었다. 덴드라이트는 음극 표면에 비대칭적으로 자라 배터리 성능을 저하시키고 화재를 유발하는 것으로 알려진 현상이다.

연구팀이 개발한 기술의 특징은 충·방전 시 발생하는 전기장으로 계면층 성분이 자발적으로 재배치된다는 점이다. 리튬 도금이 진행되면 전도성 탄소가 집전체 방향으로 이동해 전도성 하부층을 형성하게 된다. 이어 친 리튬성으로 개질된 나노 다이아몬드가 상부에 남아 뛰어난 이온 전도성을 갖춘 동시에 전가 차단이 가능한 절연 상부층을 만든다. 이와 같은 이중 구조는 국부적인 전류 집중과 덴드라이트 성장을 효과적으로 동시에 억제한다.

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.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행했으며 한양대 김재성·허인철·김동경 연구원과 성균관대·한국에너지기술연구원 연구팀이 참여했다. 연구 결과는 국제 저명 학술지(Advanced Energy Materials) 1월 19일 자에 게재됐다.