리튬금속전지 상용화 ‘성큼’… 국내 연구진, ‘전사 인쇄’ 리튬 보호막 기술 개발

리튬 표면 손상·덴드라이트 유도하는 습식 공정 한계 극복

[인더스트리뉴스 정한교 기자] 국내 연구진이 차세대 이차전지로 주목받는 리튬금속전지의 최대 난제인 덴드라이트 문제 해결을 위해 박막 보호막 전사 인쇄 기술을 개발했다.

최준영 학생연구원(1저자, 화학연·UST)이 고체 고분자와 세라믹을 복합한 하이브리드 보호막을 리튬금속에 전사 인쇄 방식으로 적용해 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 기술을 적용한 배터리 파우치 셀을 소개하고 있다. [사진=한국화학연구원]

한국화학연구원(원장 이영국) 석정돈 박사 연구팀은 고체 고분자와 세라믹을 복합한 하이브리드 보호막을 리튬금속에 전사 인쇄 방식으로 적용해 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 기술을 개발했다고 지난 11일 밝혔다.

이번 기술은 기존 습식 방식과 달리, 리튬금속 표면을 손상시키지 않으면서도 대면적에 균일하게 코팅할 수 있는 전사 인쇄 방식을 적용해 상용화에 한 걸음 다가섰다는 평가를 받고 있다.

리튬금속전지는 흑연 대신 리튬금속을 음극으로 사용하는 차세대 이차전지다. 이론 용량상 같은 무게의 기존 흑연 음극 리튬이온전지 보다 약 10배 많이 전기를 저장할 수 있어 전고체전지 및 리튬-황 전지 등 고에너지밀도 이차전지 핵심 소재로 주목받고 있다.

다만 리튬금속은 충·방전 중 표면에 나뭇가지처럼 자라는 덴드라이트(Dendrite)로 인해 단락·화재 위험이 크고, 수명도 짧은 문제가 있다. 이를 막는 보호막 형성도, 기존 습식 공정의 유기용매로 인한 잔류물과 리튬 손상 가능성이 높아 대면적 공정과 상용화에 한계가 있었다.

전사 인쇄 장비로 리튬 전극과 보호막을 눌러 결합시키는 모습 [사진=한국화학연구원]

245×50mm 대면적 제조 및 100회 충방전 시 81.5% 용량 유지

석정돈 박사 연구팀은 ‘알루미나-금 이중 보호막’, ‘세라믹(Al-LLZO)-고분자 복합 하이브리드 보호막’을 각각 개발하고, 이를 리튬 금속 표면에 얇게 부착하는 전사 인쇄 공정을 세계 최초로 구현했다.

전사 인쇄 공정은 별도 기판 위에서 보호막 박막을 제조한 뒤, 리튬 금속에 롤 압착 방식으로 물리적 전사하는 기술이다. 보호막-리튬 부착 시 용매를 쓰지 않아 리튬 손상을 방지하며, 리튬 전극의 두께 불균일성을 극복해 우수한 균일도와 공정 반복성을 확보할 수 있다.

전사 인쇄 알루미나-금 이중 보호막 주요 연구 내용 [자료=한국화학연구원]<br> — 전사 인쇄 알루미나-금 이중 보호막 주요 연구 내용 [자료=한국화학연구원]

선행 연구에서는 ‘알루미나-금 이중 보호막’을 통해 높은 기계적 강도와 낮은 계면 저항을 바탕으로 덴드라이트 성장 억제와 안정적 충·방전을 유도했다. 그리고 리튬 계면 안정화·기존 습식 코팅 공정의 한계를 동시 해결할 대안으로 전사 인쇄 방식을 최초로 제시했다.

전사 인쇄 세라믹-고분자 하이브리드 보호막 (THPL) 제조를 위한 연속 공정 개략도 [자료=한국화학연구원]

더 나아가, 후속 연구로 ‘이온전도성이 높은 세라믹과 유연한 고분자를 합친 하이브리드 보호막’을 대면적으로 얇고 균일하게 전사하는 기술을 개발했다. 이 보호막은 리튬과 전해질 사이에서 덴드라이트 성장 억제와 리튬 이온 흐름을 유도해 안정적인 충·방전을 돕는다.

특히, 5㎛ 두께 초박막 보호막을 245×50mm의 대면적에 균일하게 전사할 수 있는 공정을 입증해 보호막 기술 진보뿐만 아니라 상용화에 적합한 제조 확장성도 보여줘 실질적인 진전으로 평가된다.

하이브리드 보호막 (THPL) 적용 리튬금속전지 및 대면적 파우치 셀 성능 평가 결과 [자료=한국화학연구원]

해당 보호막은 파우치셀에서도 유효성을 확인했으며, 100회 충·방전 후에도 81.5%의 용량 유지율, 55.34mV의 낮은 과전압, 99.1%의 쿨롱 효율(충전 용량 대비 방전 용량 비율)을 달성하며, 보호막이 없는 경우보다 2배 이상 향상된 수명 특성을 보였다.

또한, 배터리를 9분 이내 완전 방전시키는 고출력 조건에서도 74.1%의 용량을 유지해 더욱 빠르고 안정적인 고효율 충·방전 특성을 보였다.

(사진 왼쪽부터) 화학연·UST 최준영 학생연구원(1저자), 화학연 석정돈 책임연구원(교신저자) [사진=한국화학연구원]

연구팀은 이 기술이 고에너지밀도 리튬금속전지 상용화 핵심 요소로서, 향후 전기차(EV)·에너지저장장치(ESS) 등 고에너지 저장장치에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있따. 나아가 이 기술은 리튬금속전지를 넘어 전고체전지, 리튬황전지 등 차세대 이차전지의 구현에도 기여할 것으로 예상된다.

연구진은 “이번 연구는 새로운 보호막 소재와 대면적 전사 인쇄 공정을 결합해 리튬금속전지 상용화의 걸림돌이었던 계면 안정성과 기존 코팅 공정의 한계를 동시에 극복한 성과”라고 설명했다.

한국화학연구원 이영국 원장은 “고에너지밀도 리튬금속전지 구현을 위한 가장 실용적인 해법 중 하나로, 글로벌 이차전지 경쟁력 확보에 기여할 것”이라고 기대감을 드러냈다.

한편, 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업과 국가과학기술연구회(NST) 글로벌TOP전략연구단 사업 과제(GTL24011-000)의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 재료·에너지 분야 국제학술지 Energy Storage Materials(IF : 20.2)에 알루미나-금 이중 보호막 연구와 하이브리드 보호막 연구가 각각 2025년 2월과 7월에 게재됐다. 두 논문 모두 석정돈 화학연 박사가 교신저자로, 화학연·UST 최준영 학생연구원이 제1저자로 참여했다.

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