KAIST, 무음극 전지 수명 늘릴 기술 개발

반도체 초미세 공정으로 리튬 균일 증착

덴드라이트 억제해 전지 수명 개선

카이스트(KAIST)는 생명화학공학과 이진우·정희태 교수 공동연구팀이 경북대학교, 나노종합기술원과 함께 반도체 초미세 공정을 활용해 무음극 전지의 수명을 높이는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. ⓒ카이스트

전기차 배터리를 더 작고 가볍게 만들 수 있는 차세대 무음극 전지의 수명을 늘리는 기술이 개발됐다.

카이스트(KAIST)는 생명화학공학과 이진우·정희태 교수 공동연구팀이 경북대학교, 나노종합기술원과 함께 반도체 초미세 공정을 활용해 무음극 전지의 수명을 높이는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

무음극 전지는 별도 음극재 없이 구리판 위에 리튬을 직접 쌓는 방식이다. 흑연 등 음극재가 차지하는 무게와 공간을 줄여 같은 크기에 더 많은 에너지를 담을 수 있다.

다만 충·방전을 반복하면 리튬이 고르게 쌓이지 않고 나뭇가지 형태로 자라는 ‘덴드라이트’가 생겨 성능과 수명이 떨어진다.

연구팀은 구리판 표면에 미세한 관 구조를 만들어 리튬이 한곳에 몰리지 않도록 했다. 반도체 공정에 쓰이는 ‘2차 스퍼터링 리소그래피(SSL)’를 활용해 직경 약 300나노미터, 높이 약 150나노미터의 구조를 형성했다. 리튬이 닿는 면적은 평평한 구리판보다 약 4배 넓어졌다.

구리판에는 2차원 신소재 ‘맥신(MXene)’을 약 10나노미터 두께로 입혔다. 전지가 작동하면 맥신 표면에 리튬플루오라이드(LiF)가 풍부한 보호막이 형성돼 리튬과 전해질 간 불필요한 반응과 덴드라이트 성장을 줄인다.

기존처럼 여분의 리튬을 넣거나 두꺼운 보호층을 추가하지 않아 무게와 부피 증가도 최소화할 수 있다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 지난 1일 온라인 게재됐다.

이진우 KAIST 생명화학공학과 교수는 “전해질을 바꾸거나 여분의 리튬을 넣지 않고 반도체 초미세 공정으로 리튬이 고르게 쌓일 공간과 안정적인 보호막을 함께 만들었다”며 “고에너지 무음극 전지의 실용화를 앞당길 기반 기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.