국내 연구진이 전기차 배터리의 최대 난제인 폭발 위험을 획기적으로 줄일 새로운 전극 구조를 개발했다. 포항공과대학교(POSTECH) 화학과·배터리공학과 박수진 교수 연구팀은 중앙대학교 에너지시스템공학부 문장혁 교수 연구팀과 공동으로 리튬금속전지의 수명과 안전성을 동시에 향상시킬 수 있는 3차원 다공성 전극 구조체를 설계했다고 밝혔다. 연구 결과는 재료화학 분야의 권위 있는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 10월 13일(현지 시각) 게재됐다.

 리튬금속전지는 한 번 충전으로 더 오랜 주행이 가능한 차세대 배터리로 주목받고 있지만, 충전과 방전이 반복될 때 리튬이 바늘처럼 자라는 ‘덴드라이트(dendrite)’ 현상이 발생한다. 이 덴드라이트가 전극을 뚫으면 내부 단락이 일어나 폭발로 이어질 수 있다. 연구진은 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위해, 전극 내부에 곧고 균일한 통로를 만들어 리튬이 일정한 방향으로 쌓이도록 유도하는 구조를 고안했다. 특히 아래로 갈수록 리튬이 더 잘 달라붙도록 설계해, 리튬이 지하주차장에 차들이 층층이 정돈되어 주차되듯 안전한 경로를 따라 쌓이게 했다.

 이 구조는 ‘비용매 유도 상분리(Non-solvent induced phase separation)’ 공정을 활용해 구현됐다. 연구진은 고분자에 탄소나노튜브(CNT)와 은(Ag) 나노입자를 섞어 전도성을 높였고, 구리 기판 위에 은을 입혀 리튬이 바닥부터 차곡차곡 성장하도록 유도했다. 그 결과 리튬이 아래에서 위로 균일하게 쌓이며 덴드라이트 형성이 완전히 억제되었고, 복잡한 장비나 공정 없이도 높은 안정성을 확보할 수 있었다.

 박수진 교수는 “이번 연구는 복잡한 공정 없이 전극 내부의 이온 이동 통로와 리튬 쌓임 방식을 동시에 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시했다”며, “전극 내부의 ‘길’과 ‘방향’을 함께 설계하는 전략이 리튬금속전지 실용화를 앞당길 전환점이 될 것”이라고 말했다.

[발췌: 조선비즈]