[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

전지 시스템의 에너지 밀도에 대한 요구치가 증가함에 따라, 고전압 및 고용량 전지 시스템을 위한 양·음극 차세대 소재에 대한 관심이 커지고 있다. 특히, 리튬 금속 전극은 3,860 mAh/g의 높은 용량과 -3.040 V (vs. Li/Li+)의 낮은 전압으로 인해, 차세대 음극 소재로써 각광받고 있다. 하지만, 리튬 전극은 층상 구조에서 리튬 이온이 안정적으로 삽입·탈리되는 흑연 전극과 달리, 전극 표면에 리튬이 전착됨으로써 리튬이 불균일하게 성장하고 전해질에 지속적으로 노출됨에 따라 수명 특성이 현저히 낮아지는 단점이 있다. 그동안 연구진들은 리튬의 불균일한 성장을 제어하기 위해 전해질을 개발하고 리튬과 반응하는 첨가제를 사용해왔으나, 리튬 덴드라이트 형성을 억제하기 위한 근원적인 해결책을 제시하지 못했다. 특히 무음극 전지 시스템에서는 기술적인 진보가 거의 이뤄지지 못하고 있다.

2. 연구내용 

UNIST 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 리튬 금속 전지의 수명 및 효율 특성을 크게 향상시키기 위해 무접촉 열처리 기술을 통해 단결정 구리(111) 금속 호일을 제작하고 이를 리튬 금속 전지에 적용하였다. 연구팀은 구리 금속 호일의 결정 방향에 따른 리튬 성장 거동을 체계적으로 분석하여, 리튬 금속의 성장 방향을 효과적으로 제어하였다. 이를 통해 기존 다결정 구리 금속 호일에서 발생하던 리튬의 수직 성장과 덴드라이트 형성을 억제하고, 리튬 전지의 잠재적인 폭발 위험성을 완벽히 제어할 수 있었다. 특히, 연구팀은 단결정 구리 호일을 사용하여 리튬이 표면에서 수평으로 성장하도록 유도하였다. 이를 통해 리튬의 덴드라이트 형성 대신 균일한 Island 식 성장을 촉진하였으며, 리튬 금속이 열역학적으로 안정한 형태로 성장하도록 하였다. 이러한 기술을 통해 리튬 금속 전지의 안정성과 성능을 크게 향상시킬 수 있었다.

3. 기대효과 

이 연구는 리튬 금속 전지의 불균일한 성장 문제를 근본적으로 해결함으로써, 전지의 효율성과 수명을 크게 향상시키는 데 기여하였다. 단결정 구리 금속 호일의 도입으로 리튬 전극의 수평 성장이 가능해져, 리튬 전지의 안정성을 높이고 잠재적인 폭발 위험성을 줄이는 데 중요한 역할을 하였다. 또한, 금속 호일 결정면과 리튬 전착 간의 상관관계를 체계적으로 분석함으로써 새로운 연구 및 개발 방향을 제시하였으며, 차세대 리튬 금속 전지의 상용화를 위한 기틀을 마련하였다. 이 연구는 리튬 금속 전지의 효율성 향상뿐만 아니라, 안전성을 높이는 데도 기여할 것으로 기대된다. 리튬 덴드라이트 형성 문제를 해결함으로써, 리튬 전지의 내부 단락 및 화재 발생 가능성을 낮추고, 전지의 수명을 연장시킬 수 있을 것이다. 이러한 기술적 진보는 전지 산업의 발전에 크게 기여할 것이며, 차세대 에너지 저장 시스템 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

[용어설명]

1. 리튬 수지상 형성, 덴드라이트 (Dendritic Li)

금속 기판 위에 리튬이 전착 시, 평탄하게 성장하지 못하고 바늘상으로 수직하게 성장하는 형태를 말함. 이 경우, 분리막을 뚫고 반대쪽 전극에 닿게 되는데, 전기적 단락을 유발하거나 쇼트로 인한 화재 발생의 원인이 됨.

2. 고 밀러 지수 결정면 (high-index facet)

high-index facet에서의 원자 배열은 표면에 울퉁불퉁한 계단식 형태를 이루게 됨. Low-index는 보통 (100), (110), (111)과 같이 낮은 숫자로 이루어지며, High-index는 (115), (410)과 같이 큰 숫자로 이루어짐. High-index facet의 표면 에너지가 훨씬 높아, 리튬 원자는 High-index facet 그 중 step site로 붙으려는 경향을 보이며, 한번 붙은 리튬 원자는 재배열되지 못해 불균일한 성장을 유도함.

[그림설명]

그림1. ‘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.

그림2. 광학현미경 분석을 통한 구리(111) 호일 위에서의 리튬 알갱이 움직임 포착

(좌측에서 우측으로). 단결정 구리(111) 호일 위에서의 리튬 알갱이는 주변 환경으로부터의 방해 작용을 받지 않거나 알갱이 성장이 멈춘다면 마찰 없이 움직일 수 있음. 위의 이미지에서는 리튬의 알갱이가 성장하면서 점진적으로 이동 속도가 감소함을 알 수 있음.

그림2. 구리(111) 호일 위에서 Rhombic dodecahedral Li의 형성

Rhobic dodecahedron은 으로 둘러싸인 입체를 일컬음. 리튬의 경우 체심 입방 격자 (BCC structure)를 지니고 있는데, 본 결정면은 (110) 방향에서 가장 밀접한 원자 배열을 이뤄 열역학적 에너지가 가장 낮고 가장 안정한 상태임. 따라서, 표면이 결정면으로 이루어진 rhombic dodecahedral Li은 리튬이 지닐 수 있는 가장 안정한 형태로써 주변 환경과의 반응성이 낮아져 전지 효율이 좋아질 것으로 기대함. 그림 a에 보이듯이, 배터리 구동 동안 이러한 rhombic dodecahedral Li이 형성된 이후 서로 큰 알갱이로 뭉치면서 점점 수평적으로 성장함을 알 수 있음.

그림4. 다양한 구리 호일 위에서의 리튬 성장 형태

표면이 울퉁불퉁한 다결정 구리호일, 표면을 폴리싱한 다결정 구리호일, 단결정 구리(111) 호일 및 단결정 구리(410) 호일에서의 리튬 전착 및 성장 형태를 비교 시, 오직 단결정 구리(111) 호일에서만 평탄하고 납작한 리튬 형태 (즉, 리튬 덴드라이트 성장이 억제된 형태)를 확인할 수 있었음.