국내 연구진, 전기차 리튬이온 전지 폭발위험 낮추는 기술개발

[머니투데이 한고은 기자]

(좌) 일반 리튬이온 이차전지 표면에 형성된 덴드라이트 결정의 모습과 (우)덴드라이트가 형성되지 않은 p형 반도체 전극의 표면. /자료=KIST

국내 연구진이 전기차 배터리로 많이 쓰이는 리튬이온 전지의 폭발 위험을 획기적으로 줄이는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 27일 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 리튬금속 전극 표면에 반도체 박막을 형성해 배터리 화재의 원인인 덴드라이트 형성을 원천 차단했다고 밝혔다.

덴드라이트는 배터리 충전시 리튬이온이 음극으로 이동, 표면에서 리튬금속으로 저장되는 과정에서 형성되는 나뭇가지 형태의 결정이다. 덴드라이트는 전극 부피를 팽창시키고, 전극과 전해질 사이의 반응을 일으켜 화재를 유발하고 전지의 성능을 저하시킨다.

연구팀은 전도성이 높은 반도체 소재인 풀러렌(fullerene, C60)을 플라즈마에 노출시켜 리튬금속전극과 전해질 사이에 반도체 박막을 만들어 덴드라이트가 형성되지 않도록 했다.

쇼트키접촉을 하는 p형 반도체와 리튬금속 사이는 전자는 통과하지 못하고 층 바로 밑에서 통과해온 리튬이온과 반응하여 반도체층 밑에서만 리튬이 증착된다. 터널링현상으로 계면을 통과한 소수의 전자만이 전해질막을 통과하여 얇은 SEI 막을 형성한다. /자료=KIST

개발된 반도체 박막은 전자는 통과시키고 리튬이온은 통과시키지 못하게 하는데, 전극 표면에서 전자와 이온이 만날 수 없어 리튬 결정이 형성되지 않아 덴드라이트의 형성을 막을 수 있었다.

연구팀은 극한 전기화학 환경에서 리튬-리튬 대칭셀을 이용해 안전성을 확인했는데, 1200회 충·방전 사이클까지 안정적인 성능을 나타냈다. 일반 리튬금속 전극은 같은 환경에서 20회 사이클까지 안정적인 성능을 보였다.

이중기 KIST 박사는 이번 연구성과에 대해 "기존의 리튬금속에서 발생하는 금속 덴드라이트 발생을 억제하면서 화재의 위험이 없는 차세대 이차전지 개발을 위한 차세대 융합형 원천기술"이라며 "고가의 풀러렌이 아닌 다른 저렴한 소재를 이용한 연구를 진행할 예정"이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지인 'ACS Energy Letters' 최신호에 게재됐다.

한고은 기자 doremi0@mt.co.kr

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