KAIST-경북대-나노종합기술원, 반도체 초미세 공정으로 리튬이 고르게 쌓이는 구리판 설계
전기차 배터리를 더 작고 가볍게 만들면서 한 번 충전으로 더 멀리 달리게 할 기술이 개발됐다. KAIST 연구진은 충전된 리튬을 저장하는 흑연 등의 음극재를 없애 무게와 공간을 줄인 ‘무음극 전지’에서, 리튬이 가시처럼 자라 수명을 떨어뜨리는 문제를 해결할 새로운 방법을 제시했다. 반도체 초미세 공정으로 리튬이 고르게 쌓일 자리를 만들고 단단한 보호막이 형성되도록 한 것이 핵심이다.
KAIST(총장 배충식)는 생명화학공학과 이진우·정희태 교수 공동연구팀이 경북대학교(총장 허영우), 나노종합기술원(원장 박흥수) 연구진과 함께 반도체 소자 제작에 쓰이는 초미세 공정을 배터리에 적용해 ‘무음극 전지’의 수명을 늘릴 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다.
연구 배경
무음극 리튬 금속전지는 기존 리튬이온전지의 흑연 음극과 별도의 리튬 금속 음극을 사용하지 않고, 충전 과정에서 양극의 리튬을 구리 집전체 위에 직접 석출시키는 방식이다. 음극 활물질을 제거해 전지의 무게와 부피를 줄이고 에너지 밀도를 높일 수 있지만, 여분의 리튬이 없어 비가역적 리튬 손실에 매우 취약하다. 특히 구리 집전체 위에서 리튬이 불균일하게 석출되면 덴드라이트와 불안정한 고체전해질계면(SEI)이 형성돼 전지의 수명과 안전성이 저하된다.
기존 연구는 주로 전해질 조성을 변경하거나 두꺼운 보호층 및 리튬친화성 물질을 도입하는 방식으로 이러한 문제를 해결하고자 했다. 그러나 일부 접근법은 전지의 무게와 부피를 증가시키거나 전해질 비용과 공정 복잡성을 높여, 무음극 전지가 지닌 높은 에너지 밀도의 장점을 저해할 수 있다.
연구 내용
연구에서는 이차 스퍼터링 리소그래피 기반 초미세 나노공정을 배터리 집전체에 적용했다. 약 1 μm 간격, 직경 약 300 nm, 높이 약 150 nm의 구리 나노튜브 구조를 제작해 약 15의 종횡비와 약 4배의 면적증대계수를 확보했다. 이 구조는 국부적인 전류 집중을 완화하고 리튬이 균일하게 핵생성하고 성장할 수 있는 공간을 제공한다.
구리 나노튜브 표면에는 -O, -OH, -F 표면작용기를 갖는 2차원 신소재인 T3i2CTx 맥신을 약 10 nm 두께로 코팅했다. 맥신 표면은 LiPF6 전해질의 PF??를 흡착하고 계면에서의 분해 반응을 유도해, 나노튜브 구조를 따라 LiF가 풍부한 무기물 기반 SEI를 형성했다. 이를 통해 나노튜브의 구조적 리튬 성장 제어와 맥신의 화학적 계면 안정화를 동시에 구현했다.
또한 대기 비개방 환경에서 XPS 깊이 분석, ToF-SIMS 3차원 성분 분석, 단면 TEM, FFT 및 EELS 분석을 종합적으로 수행해 맥신?SEI 계면의 구조와 화학적 조성을 규명했다. 대면적 파우치형 전지 평가를 통해 실제 전지 형태로의 적용 가능성도 확인했다.
이진우 교수는 “이번 연구는 전해질을 바꾸거나 여분의 리튬을 넣지 않고, 반도체 초미세 공정으로 리튬이 고르게 쌓일 공간과 안정적인 보호막을 함께 만들었다는 데 의미가 있다”며 “배터리의 무게와 부피 증가를 최소화하면서 수명을 늘려 고에너지 무음극 전지의 실용화를 앞당길 기반 기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
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