김동원 화학공학과 교수팀과 SK온이 황화물계 전고체 배터리용 리튬 메탈 음극을 공동 연구해 상온에서 구동 가능한 신규 음극을 개발하는 데 성공했다.

황화물계 리튬 메탈 배터리는 균일한 리튬 이동을 위해 상온보다 높은 온도에서 구동된다. 그러나 배터리를 고온에서 구동할 경우 온도 유지용 모듈 탑재가 필요해 비용이 커지고 에너지 밀도가 낮아진다. 김 교수는 이러한 단점을 극복하고 음극 집전체에 리튬 친화성 소재인 은이 추가된 음극을 구성하고 상온 구동을 실현했다. 이를 통해 배터리의 고온 구동 시 고온 유지에 필요한 비용을 낮추고 배터리 수명을 늘릴 수 있는 기회가 마련됐다.

이뿐만 아니라 김 교수는 덴드라이트 형성에 따른 셀 단락 현상을 막을 수 있는 기술 개발에도 성공했다. 황화물계 리튬 메탈 전고체 배터리는 이온전도도와 에너지밀도가 높다는 장점이 있다. 그러나 황화물계 전해질과 리튬 메탈 간 부(副) 반응으로 리튬이 균일하게 이동하지 못하는 문제점이 존재한다. 이 경우 전류가 한 곳으로 집중돼 덴드라이트가 형성되고 이를 바탕으로 성장한 덴트라이트가 전해질을 뚫고 올라가 셀 단락을 유발할 수 있다.

이에 김 교수는 리튬-은 합금 과정에서 SEI(Solid Electrolyte Interphase)막이 동시에 형성되는 공법을 개발했다고 밝혔다. SEI막은 전기 음극 표면에 형성되는 얇은 층으로 전극 보호막 효과가 있다. 김 교수는 SEI막을 통해 덴드라이트 성장을 억제할 뿐만 아니라 비용과 시간을 단축하는 등 공정 효율화가 가능하다고 설명했다.

이번 연구의 내용을 담은 논문은 최근 재료ㆍ계면 분야의 권위 있는 국제 학술지인 'ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이시스(ACS Applied Materials&Interfaces)에 게재됐다.