- POSTECH, 리튬 부식 정량 모델 기반 이중층 보호막 설계

- 수명·계면 안정성 동시 향상

스마트폰을 오래 사용하지 않았는데도 배터리가 눈에 띄게 빨리 닳는 경험은 흔하다. 단순한 대기전력 문제처럼 보이지만, 실제 배터리 내부에서는 눈에 보이지 않는 '부식'이 계속 진행되고 있기 때문이다.

POSTECH 연구진이 이 같은 배터리 성능 저하의 핵심 원인을 정량적으로 규명하고, 이를 억제할 수 있는 보호 기술 개발에 성공했다.

최근 POSTECH 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수 연구팀은 리튬 금속 전지의 성능 저하 핵심 원인인 '리튬 부식' 현상을 정량적으로 분석할 수 있는 모델을 개발하고, 이를 효과적으로 억제하는 이중층 보호막 기술을 구현했다고 밝혔다. 연구에는 화학공학과 강송규 박사와 배터리공학과 통합과정 홍서찬 씨가 참여했으며, 연구 결과는 국제학술지 Nature Communications에 게재됐다.

리튬 금속은 차세대 고에너지밀도 배터리의 핵심 소재로 꼽힌다. 현재 전기차와 스마트폰 등에 사용되는 리튬이온전지보다 더 많은 에너지를 작은 공간에 저장할 수 있어 '꿈의 배터리 소재'로 불린다. 다만 반응성이 매우 커 전해질과 접촉하는 순간 빠르게 부식된다는 한계가 있다.

이 과정에서 전극 표면에는 '고체 전해질 계면(SEI Solid Electrolyte Interphase)' 층이 형성된다. 하지만 이 계면층이 불안정해지면 전해질이 지속적으로 소모되고 내부 저항이 증가한다. 이후 나뭇가지 형태의 리튬 결정체인 '덴드라이트(dendrite)'가 성장하면서 배터리 수명 저하와 화재 위험까지 초래하게 된다.

특히 연구팀은 이러한 부식 현상이 충·방전 중뿐 아니라 배터리를 사용하지 않고 보관하는 동안에도 계속 진행된다는 점에 주목했다. 기존에도 인공 보호막이나 계면 제어 기술이 제안됐지만, 부식 속도와 표면 구조 변화, 용량 감소 간의 상관관계를 정량적으로 설명한 연구는 부족했다는 설명이다.

연구팀이 개발한 '화학적 부식 소산 모델'은 리튬 부식과 계면 성장, 표면 구조 변화 간 관계를 하나의 통합 수식으로 설명한다. 이를 통해 표면이 거칠고 불균일해질수록 부식이 더욱 가속되는 악순환 구조가 존재한다는 사실을 확인했다. 연구팀은 실시간 X선 현미경 분석을 통해 이 현상을 직접 관찰하는 데도 성공했다.

이를 바탕으로 연구팀은 서로 다른 역할을 수행하는 '이중층 보호막'을 설계했다. 외부층은 리튬 폴리아크릴레이트 기반 고분자 층으로 구성돼 전해질이 리튬 금속과 직접 접촉하는 것을 차단한다.

내부층은 리튬-은(LiAg) 합금과 불화리튬(LiF) 기반 계면층으로, 리튬 이온이 안정적이고 균일하게 이동할 수 있도록 돕는다. 외부층이 '방패' 역할을 한다면 내부층은 리튬 이온 흐름을 조절하는 '교통정리 시스템' 역할을 수행하는 셈이다.

상용화 수준의 고용량 NCM811 풀셀 실험 결과, 해당 보호막은 고속 충·방전 환경에서도 안정적으로 작동했다. 특히 일정 시간 배터리를 쉬게 하는 실사용 조건 평가에서는 기존 대비 약 5배 향상된 수명을 기록했다. 파우치셀 기반 실험에서도 650회 이상의 안정적인 충·방전 성능을 유지하며 장기 안정성을 입증했다.

김원배 교수는 "이번 연구는 리튬 금속 전지 수명을 좌우하는 핵심 변수인 부식 현상을 정량적으로 설명할 모델을 제시했다는 점에서 의미가 크다"며 "부식을 억제하면서도 리튬 이온 이동은 촉진하는 계면 설계 전략을 통해 리튬 금속 전지 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 선도연구센터(ERC) 사업과 중견연구사업, 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업 지원을 받아 수행됐다.