▲ ‘무접촉 열처리’ 방식을 통한 구리(111) 단결정 호일 제작 / 기존의 다결정 구리 호일을 공중에 매달아 열처리 시, 열역학적으로 에너지가 가장 낮은 구리(111) 결정면이 성장해 전체 구리 호일을 하나의 결정면으로 만듦(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

리튬 전지의 폭발 위험을 근본적으로 줄일 수 있는 기술이 개발됐다. 구리 원자를 정밀하게 배열한 구리(111) 단결정 호일을 사용해 리튬의 불균일한 성장을 억제하고, 이를 통해 전지의 안전성과 수명을 크게 향상시킬 수 있다는 연구 결과가 발표됐다.

UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀은 구리(111) 단결정 호일을 무음극 리튬 전지에 적용하여 전지 성능을 획기적으로 개선했다. 이 호일은 리튬이 전지 표면에 균일하게 퍼질 수 있도록 유도하여 덴드라이트 형성을 방지한다. 덴드라이트는 리튬이 불균일하게 쌓여 전지 내부에서 나뭇가지처럼 성장하는 구조물로, 전지 폭발을 일으킬 수 있는 주요 원인이다.

구리(111) 단결정 호일, 리튬의 안정적 성장을 유도

연구팀은 구리(111) 단결정 호일을 통해 리튬이 전지 표면에서 수직이 아닌 수평으로 균일하게 성장하도록 유도함으로써 덴드라이트 형성을 억제하는 데 성공했다. 덴드라이트 문제는 그동안 리튬 금속 전지의 상용화에 큰 장애물로 작용해 왔다. 덴드라이트는 전기적 단락을 일으켜 전지의 폭발 위험을 크게 높이기 때문이다.

이 기술은 리튬 금속 전지의 충전 과정에서 발생하는 덴드라이트 문제를 해결하고, 폭발 위험이 없는 무음극 리튬 전지 구현을 가능하게 했다. 연구팀은 다양한 구리 호일에서 리튬 성장 패턴을 비교한 결과, 원자들이 불규칙하게 배열된 고 밀러 지수 결정면이 덴드라이트 형성의 원인임을 밝혀냈다.

차세대 리튬 전지 상용화에 기여할 기술

이번 연구는 UNIST 연구진이 IBS 다차원 탄소재료 연구단, 강원대, KAIST와 협력하여 리튬이 안정된 사방 십이면체 결정 구조로 균일하게 성장하도록 유도한 결과물이다. 이를 통해 전지의 효율과 안전성을 크게 높이는 데 성공했다.

연구팀의 제1저자인 김민호 연구원은 “리튬 금속의 불균일한 성장을 근본적으로 해결함으로써 차세대 리튬 전지 상용화를 앞당기는 계기가 될 것”이라고 말했다. 이현욱 교수는 “이번 연구는 기존 리튬 전지 연구에서 충전만을 고려했던 한계를 넘어, 충전과 방전 모두를 고려한 기술 개발의 새로운 가능성을 제시했다”며, “궁극적인 무음극 리튬 전지 상용화로 이어질 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 세계적 학술지 Energy & Environmental Science 9월 21일 자 속표지 논문으로 게재됐다.

이 연구는 차세대 리튬 전지 상용화를 앞당기고 전지 안전성 문제를 해결하는 중요한 발판이 될 것으로 기대된다.

논문명은 Horizontal lithium growth driven by surface dynamics on single crystal Cu(111) foil 이다.