[사회/CTN]정민준 기자ㅣ충남대학교 신소재공학과 박상백 교수와 전남대학교 기계공학부 차진혁 교수 공동 연구팀이 1나노미터(nm) 수준의 리튬플루오라이드(LiF)를 구리 집전체 표면에 나노섬 형태로 형성해, 무음극 리튬금속전지에서 발생하는 불균일한 리튬 성장과 계면 열화를 억제하는 기술을 개발했다.

이번 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제학술지인 ‘저널 오브 에너지 케미스트리(Journal of Energy Chemistry, IF: 14.9)’에 7월 9일 온라인 게재됐다. 이번 연구에는 충남대 김지우 석사과정과 김미리 박사, 전남대 신정민 석사과정이 공동 제1저자로, 충남대 박상백 교수와 전남대 차진혁 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

현재 리튬이온전지는 주로 흑연 음극을 사용하지만, 에너지밀도 향상에 한계가 있다. 이에 별도의 음극 활물질 없이 구리 집전체에서 리튬을 도금·박리하는 무음극 리튬금속전지가 차세대 전지로 주목받고 있다. 그러나 여분의 리튬이 없어 불균일한 리튬 성장과 ‘죽은 리튬’ 형성이 곧바로 용량 감소와 수명 저하로 이어지므로, 구리 집전체의 계면 제어가 핵심 과제다.

LiF는 리튬금속 계면을 안정화하는 대표적인 보호 성분이지만, 두껍고 연속적인 막으로 형성되면 리튬 이온의 이동을 방해해 오히려 리튬 도금을 불안정하게 만들 수 있다.

공동 연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 열증착 공정으로 구리 집전체 표면에 머리카락 굵기의 약 10만 분의 1인 1나노미터 두께의 LiF를 형성했다. 그 결과 LiF가 표면 전체를 덮는 연속막이 아니라 작은 섬처럼 분산된 나노섬 구조가 형성됐다. 노출된 구리 표면은 리튬 이온의 이동 통로로, 구리와 LiF가 맞닿는 경계부는 안정적인 리튬 핵생성 지점으로 작용했다.

1나노미터 LiF 나노섬을 적용한 전지에서는 리튬이 불규칙하게 뭉치지 않고 균일하고 방향성 있게 성장했다. 반면 50나노미터 두께의 LiF 연속막은 리튬 이온 이동을 방해해 불균일한 리튬 성장과 빠른 성능 저하를 일으켰다.

전자현미경 분석과 전기화학 평가에서도 1나노미터 LiF를 적용한 전지는 높은 전류 조건과 반복적인 도금·박리 과정에서 기존 구리 집전체 및 두꺼운 LiF층보다 우수한 안정성과 효율을 보였다. NCM523 양극을 적용한 무음극 전고체전지에서도 높은 초기 효율과 향상된 용량 유지 특성을 나타내, 제한된 리튬을 보다 효율적으로 활용할 수 있음을 입증했다.

아울러 밀도범함수이론(DFT)을 활용하여 구리-LiF 계면에서의 리튬 흡착에너지를 분석해 리튬의 흡착 선호도와 안정적인 핵생성 위치를 확인했다. 또 인공지능(AI) 힘장 기반 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 활용해 LiF 나노섬의 두께와 형상을 반영한 계면 구조를 구현하고, 이에 따른 리튬 성장 거동을 분석했다. 이러한 계산 결과는 LiF 나노섬이 구리-LiF 경계부에서 균일한 리튬 성장을 유도한다는 실험 결과를 뒷받침했다.

박상백 교수는 “이번 연구는 1나노미터 수준의 LiF 나노섬 구조를 통해 리튬 이온 이동과 안정적인 핵생성을 동시에 구현했다는 데 의미가 있다”며 “이러한 박막 계면 제어 기술은 다양한 차세대 리튬금속전지에도 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

차진혁 교수는 “원자 수준의 계산을 통해 구리-LiF 경계부가 리튬 성장에 미치는 영향을 규명했다”며 “실험과 시뮬레이션을 연계한 이번 연구가 차세대 전지 계면을 과학적으로 설계하는 기반이 될 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지역혁신선도연구센터, 차세대이차전지전문인력양성사업과 교육부의 학술연구혁신지원사업(글로컬R&D지원)의 지원을 받아 수행됐다.

정민준 기자 jil3679@hanmail.net 정민준 기자 입니다.

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