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숙명여자대학교 연구처 · 산학협력단

화공생명공학부 오지훈 교수

숙명여대 화공생명공학부 오지훈 교수가 서울대 화학생물공학부 정유성·최장욱 교수 연구팀 및 삼성SDI 연구진과 공동으로 고에너지밀도 무음극 리튬금속 배터리의 수명을 높이는 ‘양면 제어’ 기술을 개발했다. 리튬이 쌓이는 과정을 위아래에서 동시에 조절해 배터리 성능 저하의 원인인 불균일한 리튬 성장을 억제한 것이 핵심이다.

이번 공동연구 성과는 재료 분야 국제 학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF 19.9, JCR 상위 4.2%)에 게재됐다. 오지훈 숙명여대 교수와 정유성·최장욱 서울대 교수가 공동교신저자로 참여했다.

무음극 배터리는 별도의 음극 활물질 없이 충전 과정에서 양극의 리튬이 집전체 위에 금속 형태로 쌓이는 구조다. 기존 음극 소재가 차지하던 공간과 무게를 줄일 수 있어 고에너지밀도 차세대 배터리로 주목받고 있다. 다만 리튬이 나뭇가지 모양의 ‘덴드라이트’로 불균일하게 자라면 전해액과의 부반응이 늘어나고, 사용 가능한 리튬이 소모돼 수명이 짧아지는 한계가 있다.

연구팀은 구리 집전체에 리튬과 친화성이 높은 약 50나노미터(nm) 두께의 백금(Pt)층을 형성하고, 집전체와 마주 보는 분리막 표면에 리튬이 잘 젖지 않는 약 70나노미터 두께의 비정질 탄탈럼 산화물(a-TaOₓ)층을 도입했다. 아래쪽 백금층은 리튬이 처음부터 균일하게 쌓이도록 돕고, 위쪽 탄탈럼 산화물층은 리튬이 국소적으로 솟아오르는 것을 억제해 옆으로 치밀하게 성장하도록 유도한다.

집전체에 백금층만 적용한 경우에는 리튬이 두껍게 쌓일수록 성장 제어 효과가 약해졌다. 반면 양면 제어 구조에서는 많은 양의 리튬이 쌓이는 고용량 조건에서도 리튬층 전체에 걸쳐 치밀하고 균일한 성장이 유지됐다. 연구팀은 전자현미경과 3차원 엑스선 분석으로 이러한 차이를 확인하고, 계산 시뮬레이션을 통해 탄탈럼 산화물이 리튬과의 접촉을 억제하는 원리를 뒷받침했다.

오 교수는 “이번 연구는 리튬이 처음 쌓이는 집전체 표면을 넘어, 리튬층 전체의 성장을 제어하는 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 리튬에 대한 친화성이 서로 다른 다양한 소재 조합으로 확장해, 고용량 무음극 배터리의 수명과 안정성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.