국립부경대 조계용 교수팀, 리튬 금속 배터리 수명·안전↑기술 개발

- 배터리 분리막에 초박막 실리카(SiO2) 나노입자 코팅 기술 개발

- 국제학술지 <Energy Storage Materials> 게재

국립부경대학교 조계용 교수(공업화학전공) 연구팀은 차세대 배터리인 리튬 금속 배터리에 사용되는 리튬 금속 음극의 수명을 늘리고 안전성을 높이는 분리막 코팅 기술 개발에 성공했다고 1일 밝혔다.

국립부경대 조계용 교수와 박재원 석사 연구원, 권영제 박사과정생, 인천대 윤정식 교수(에너지화학공학과) 등으로 구성된 연구팀은 리튬 금속 음극에서 리튬 덴드라이트 형성을 억제하는 분리막의 계면 제어 기술을 개발했다.

연구팀은 폴리프로필렌 분리막에 불소계 고분자를 이용해 표면 개질 및 초박막 실리카(SiO2·이산화규소) 나노입자 코팅을 통해 리튬 금속 배터리의 안전 문제를 위협하는 리튬 덴드라이트(dendrite‧나뭇가지 모양 결정체) 형성을 억제하는 데 성공했다.

리튬 금속 음극은 리튬 배터리의 높은 용량을 구현할 수 있는 차세대 음극으로 주목받고 있지만, 리튬 금속 표면에서부터 발생하는 덴드라이트가 급격한 수명 열화를 초래할 뿐만 아니라, 분리막을 관통해 전지 열폭주의 원인이 돼 화재로 이어지는 위험성이 있다.

현재 리튬 덴드라이트 억제 관련 연구가 활발히 진행되고 있지만, 기존 바인더를 이용한 무기 입자 코팅의 경우 코팅층이 불균일하게 형성되거나 초박막 형성이 어렵고, 무기 입자의 탈리(脫離) 등 문제가 있었다. 조계용 교수팀은 불소계 고분자를 기반으로 분리막의 계면 제어를 통해 실리카 나노입자를 매우 얇으면서 균일하게 코팅시키는 방법을 개발해 냈다.

이번에 개발한 초박막 SiO2 나노입자 코팅층은 매우 얇으면서(약 200 nm) 높은 밀도로 균일하게 코팅됐으며, 이는 분리막을 통과하는 리튬 이온의 수송을 균일하게 만들어 국소적인 리튬이온의 부족으로 발생하는 과전압에 따른 덴드라이트 성장을 억제했다. 실리카 나노입자 코팅을 통해 기계적 물성 향상뿐만 아니라 고온(140°C)에서 분리막의 열 수축을 억제해 분리막의 우수한 고온 안전 특성도 보였다.

이번 연구 논문의 제1 저자 박재원 연구원은 “차세대 리튬 금속 전지용 고성능 분리막 개발로 이차전지의 주요 이슈인 안전 문제를 해결하고, 리튬 금속 음극의 상용화를 앞당기는 데 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상자원부와 연구재단의 우수신진연구사업의 지원을 통해 수행됐으며, 연구 결과를 담은 논문 ‘Ultra-thin SiO2 Nanoparticle Layered Separators by a Surface Multi-functionalization Strategy for Li-Metal Batteries: Highly Enhanced Li-Dendrite Resistance and Thermal Properties’는 국제학술지 <Energy Storage Materials>(IF 20.4 / JCR 상위 2.95%)에 2월 1일에 게재됐다.

※ 붙임: 1. 연구팀 사진(윗줄 왼쪽부터 윤정식 교수, 배지우, Kaiyun Zhang, 최경민, 권영제, 이민정, 아랫줄 왼쪽부터 김세훈, 조계용 교수, 박재원)

2. SiO2 나노입자 코팅을 통한 리튬 금속 음극의 리튬 덴드라이트 억제 모식도 이미지