Research

[POSTECH·중앙대, 굴곡 낮추고 친화도 높이는 다공성 구조체 개발로 덴드라이트 억제]

국가소방청에 따르면, 연간 전기차 화재 건수가 2018년 3건에서 2023년 72건으로 5년 새 24배 증가했다. 지난해 8월 인천 아파트 지하 주차장에서 주차 중이던 전기차가 폭발하면서 차량 87대가 타고 793대가 그을렸으며, 23명이 연기를 마셔 병원으로 이송됐다. 이처럼 전기차 배터리 최대 난제는 ‘폭발 위험’인데, 국내 연구팀이 이를 해결할 새로운 전극 구조를 개발했다는 소식이다. 마치 내비게이션처럼 리튬이 안전한 경로를 따라 차곡차곡 쌓이게 만드는 기술이다.

화학과·배터리공학과 박수진 교수, 한동엽 박사, 배터리공학과 이가영 석사, 중앙대 에너지시스템공학부 문장혁 교수, 박성수 연구원 공동연구팀이 리튬금속 배터리 수명과 안전성을 동시에 높이는 3차원 다공성 구조체를 개발했다. 이번 연구 결과는 재료화학 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다.

리튬금속 배터리는 한 번 충전으로 더 오래 가는 차세대 배터리로 주목받지만, 치명적 약점이 있다. 충전과 방전을 거듭하면 리튬이 뾰족한 바늘 모양으로 자라는 '가지돌기(덴드라이트·dendrite^*1)' 현상이 일어난다. 이 바늘이 배터리 내부를 뚫으면 단락(합선)이 일어나 폭발할 수 있다.

연구팀의 해결책은 간단하지만 효과적이다. 전극 내부에 구불구불하지 않은 곧은 통로를 만들고, 아래로 갈수록 리튬이 더 잘 달라붙도록 설계했다. 

아파트 지하 주차장을 떠올려 보자. 입구가 좁고 통로가 복잡하면 차들이 제대로 주차하지 못하고 입구에 뒤엉킨다. 하지만 넓고 곧은 진입로를 만들고, 지하층일수록 주차 공간을 넓게 배치하면 차들이 자연스럽게 아래층부터 질서정연하게 주차한다. 연구팀이 만든 전극 구조가 바로 이런 원리다.

연구팀은 물과 기름이 섞이지 않고 분리되는 원리를 활용한 '비용매 유도 상분리' 공정으로 이 구조를 구현했다. 고분자에 탄소나노튜브와 은 나노입자를 섞어 전기가 잘 통하게 만들고, 구리 기판 위에 은층을 입혀 리튬이 바닥부터 자라도록 유도했다. 그 결과 리튬이 아래에서 위로 차곡차곡 쌓이는 '상향식(bottom-up)' 증착이 이뤄졌고, 위험한 가지돌기 발생이 완전히 억제됐다.

이 기술을 적용한 배터리는 무게 기준 398.1Wh/kg, 부피 기준 1516.8Wh/L의 높은 에너지 밀도도 달성했다. 현재 전기차에 주로 쓰이는 NCM811, LFP 양극재와 결합한 파우치형 전지에서도 적은 양의 전해액과 낮은 음극-양극 비율이라는 까다로운 상용 조건에서 우수한 성능을 보였다.

박수진 교수는 "복잡한 공정 없이 전극 내부 이온 이동 통로와 리튬 쌓임 방식을 동시에 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시했다"라며 "전극 내부의 ‘길’과 ‘방향’을 함께 설계하는 전략이 리튬금속전지 실용화의 전환점이 될 것"이라고 전했다. 중앙대 문장혁 교수는 "단순한 공정으로 전극의 미세 구조와 화학적 구배를 동시에 설계할 수 있어 대량생산에 최적화됐다"라고 연구의 의미를 덧붙였다. 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 사업 지원을 받아 수행되었다. 

DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202510919

1. 덴드라이트(dendrite) : 나뭇가지 모양 결정, 전기화학에서는 리튬금속전지에서 문제를 일으키는 금속 결정