최근 합금 상태도를 활용한 리튬 금속 전극 표면의 품질을 상승시키는 기술이 개발됐다. 합금 상태도는 통해 이종 원소가 리튬과 합금화될 때의 반응 여부와 원리를 미리 파악할 수 있는 지표다. 이를 기반으로 전해질 첨가제의 도움 없이 전해질 표면에서 형성되는 부수적인 반응이 제어 가능한 리튬 금속 합금 개발에 성공해 주목받고 있다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 금속 플루오라이드 (MxFy) 화합물을 활용한 연구를 진행했다. 연구팀은 화합물을 사용해 금속 표면은 내화학성이 좋은 리튬 플루오라이드 보호층으로, 내부는 리튬 원자의 이동성이 향상된 리튬 합금으로 이루어진 전극 공정 기술을 개발해 리튬 전지의 성능을 크게 향상시켰다.
높은 용량과 낮은 구동 전압으로 이상적인 차세대 음극재로 알려진 리튬 금속은 전지 구동 시 전기화학적으로 증착된 리튬의 불균일한 수지상 형성 및 전해질과의 부수적인 반응으로 인해 수명이 짧고 전기적 단락에 의한 화재를 일으킬 수 있다. 특히, 리튬을 전착할 때 발생되는 새로운 리튬 표면은 지속적으로 유기 전해질과 반응한다. 이는 리튬 전해질에 손실을 입히고 그로 인해 형성되는 두꺼운 피막층이 성능을 크게 저하시키게 된다.
연구팀은 리튬 전지의 성능을 향상시키기 위한 연구에 착수했다. 먼저 낮은 열처리 조건에서도 리튬과 활발히 반응하는 금속 플루오라이드의 성질을 활용했다. 이 과정에서 리튬 플루오라이드는 표면 보호층을 형성하면서 내부의 리튬 합금을 전해질로부터 보호할 수 있게 된다. 이 리튬 합금 전극은 전해질 첨가제가 포함된 전해질 시스템에서 구동할 때 기존 리튬 전극 대비 약 4배 이상, 약 2,000시간 이상의 향상된 전지 수명을 보였다. 게다가 전해질 첨가제가 포함되지 않은 전해질 시스템에서도 700시간 이상 안정적으로 구동되는 것을 확인함으로써 본 표면 공정 기술의 우수성을 입증했다.
그림1. 금속 플루오라이드 화합물 (MxFy)을 활용한 리튬 플루오라이드 피막층 및 내부 리튬 합금 형성 메커니즘
또한 연구팀은 실시간 투과전자현미경 분석법을 활용해 금속 플루오라이드 화합물이 리튬과 반응하는 메커니즘을 규명했다. 이러한 현상을 이해함으로써 기존의 전해질 첨가제에 의존적인 리튬 표면층은 불완전한 반면, 이번 연구로 개발된 균일한 리튬 표면 보호층은 특성이 향상된 리튬 금속 소재를 개발하는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 확인됐다.
제 1 저자인 김민호 UNIST 에너지공학과 박사후연구원은 “이 연구는 합금 상태도를 이용해 기존 리튬 금속에 비해 계면 특성이 향상된 리튬 합금을 만드는 기준점을 제시했다”며 “기존에 많이 고려되지 않았던 전해질 첨가제에 의한 리튬 표면 보호층의 불완전 형성을 완벽하게 보완하는 표면 개질 기술을 통해 리튬 금속 전지의 상용화를 위한 하나의 지표가 될 것이다”고 설명했다.
이현욱 에너지화학공학과 교수는 “이차전지에 대한 전 세계적인 이슈로 성능이 좋고 새로운 소재를 개발하는 것이 기술 강국을 결정할 정도로 중요해졌다. 특히 새로운 소재를 발견하는 경우 그 메커니즘을 파악하는 것이 그 어느 때보다 중요해졌다”며 “UNIST에서 이차전지와 차세대전지를 고도 분석할 수 있는 올인원 분석센터를 설비하고 있는데 이런 인프라 구축을 통해 우리나라 연구자들이 개발하는 많은 물질을 규명하고 어떻게 이차전지 성능을 향상하는지 진단할 수 있는 헤드쿼터 역할을 하고자 한다”고 본 연구의 기대효과를 설명했다.
이 연구 성과는 울산과학기술원 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연계 신진후속 사업, 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 나노소재 분야 국제 저명학술지 ‘나노레터스 (Nano Letters)’에 4월 7일자로 온라인 게재됐다.
