한국생산기술연구원(생기원)은 숙명여자대학교 연구팀과 공동으로 3차원 다공성 구리 집전체 기술을 개발해 안전성이 뛰어난 무음극 리튬금속 전지 시스템을 구현하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

리튬을 음극재로 사용하는 리튬금속 이차전지는 상용 리튬이온전지보다 높은 부피당 에너지밀도(1000Wh/L)를 갖고 있어 차세대 이차전지로 주목받고 있지만, 리튬 덴드라이트 형성이 최대 단점으로 꼽힌다. 덴드라이트는 전지의 단락을 유발하는 나뭇가지 모양의 결정으로, 금속 이온이 음극에 축적돼 형성된다.

전지의 단락은 고장이나 폭발로 이어질 수 있고, 전극 표면에 덴드라이트가 형성되면 리튬 이온 이동이 원활하지 못해 전지 효율과 수명이 줄어든다.

생기원 친환경열표면처리연구부문 오세권 박사 연구팀과 숙명여대 화공생명공학부 류원희 교수 연구팀은 무음극 전지 시스템에서 리튬 덴드라이트 성장을 제어할 수 있는 집전체에 주목, 전해도금 기술을 활용해 3차원의 다공성 구조를 갖는 구리 집전체를 개발하고 이를 기반으로 한 무음극 전지 시스템을 구현하는 데 성공했다.

개발된 3차원 다공성 구리 집전체는 리튬 충·방전 시 수직 형태로 리튬 덴드라이트를 형성하는 기존 박막 형태 집전체와 달리, 3차원 다공성 구조체 내에서 고립된 형태로 들러붙었다가 따로 떨어진다. 이 경우 리튬 이온이 다공성 구조에 갇혀 집전체 구조 밖에서 성장하지 못하기 때문에 양극과 만나지 않아 덴드라이트로 인한 폭발 등 안전성 문제의 근본 원인을 제거할 수 있다.

전지의 안전성 향상 효과 외에도, 기존 구리 박막 집전체보다 충·방전 시 부피 팽창률을 4분의 1 수준으로 감소시키고, 리튬 핵생성 과전압도 50%가량 낮추는 것으로 나타났다.

이번 연구 성과는 8월 14일 화학공학 분야 세계적 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'(Chemical Engineering Journal) 온라인판에 게재된 데 이어 지난 15일 출판됐다.