[이데일리 김응열 기자] 한양대가 차세대 배터리로 주목받는 무음극 리튬금속전지의 짧은 수명과 구조적 불안정 문제를 개선하는 기술을 개발했다.

한양대 김동원 화학공학과 교수 연구팀은 삼성SDI와 공동으로 무음극 리튬금속전지(Anode-Free Lithium Metal Battery)의 수명과 구조적 안정성을 높이는 새로운 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

무음극 리튬금속전지는 기존 리튬이온전지의 흑연 음극과 달리 제조 단계에서 별도의 리튬 음극 활물질을 사용하지 않고 충전 중 양극에서 나온 리튬을 구리 집전체에 직접 석출시키는 방식이다. 별도의 음극 활물질이 필요하지 않아 전지의 무게와 부피를 줄이면서 에너지 밀도를 높일 수 있어 차세대 배터리 기술로 주목받고 있다.

다만 충·방전을 반복하면 리튬이 구리 집전체 표면에 불균일하게 석출되면서 덴드라이트와 비활성 리튬(dead Li)이 형성된다. 또 리튬의 석출·용출 과정에서 전극의 부피가 크게 변화해 수명이 짧아지는 문제가 있다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 니트릴부타디엔고무(NBR), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 리튬이 도입된 실리카(Li-SiO₂) 나노입자를 결합한 전기방사 나노섬유 중간층을 개발했다. 탄성이 우수한 NBR·PAN 섬유는 리튬의 석출·용출 과정에서 발생하는 부피 변화를 흡수해 전극의 구조적 안정성을 높인다. 동시에 PAN의 니트릴기는 리튬 이온과 상호작용해 이온의 흐름을 균일하게 조절한다. 연구팀은 여기에 Li-SiO₂ 나노입자를 더해 리튬 이온의 분포를 조절하면서 나노섬유 구조를 기계적으로 보강했다.

연구팀은 실제 전지에 적용할 수 있는지 검증하기 위해 고용량·고로딩 NCA 양극을 적용한 9층 적층형 양면 파우치 셀을 제작했다. 제작된 파우치 셀은 2.2Ah의 방전 용량을 보였고 100회 충·방전 이후에도 높은 용량을 유지했다.