전기차 배터리 화재, 반도체 기술로 잡는다

반도체 물리와 전기화학 융합, 반도체 박막을 통한 덴드라이트 형성 차단

(좌) 제1저자 랸다 엥가르 아누그라 아르디 학생연구원과 (우) 교신저자 이중기 KIST 박사

전기자동차 시대로의 전환이 현실로 다가오고 있지만, 전력 공급원인 리튬이온 배터리의 화재, 폭발 사고에 대한 우려가 끊이질 않고 있다.

이를 극복하기 위해 다양한 노력이 이루어지고 있는 가운데, 국내 연구진이 리튬이온 이차전지에 반도체 기술을 적용하여 폭발 위험을 획기적으로 줄여 화제다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 리튬금속 전극 표면에 반도체 박막을 형성하여 배터리 화재의 원인인 덴드라이트 형성을 원천 차단했다고 밝혔다.

리튬이온 이차전지의 화재는 소재 표면에 생기는 덴드라이트가 가장 큰 원인으로 알려져있다. 배터리 충전 시에 리튬이온이 음극으로 이동하여 표면에서 리튬금속으로 저장되는 과정에서 나뭇가지 형태의 결정으로 형성되는 것을 덴드라이트라 부르는데, 전극의 부피를 팽창시키고, 전극과 전해질 사이의 반응을 일으켜 화재를 유발하고 전지의 성능을 저하시킨다.

(좌) 일반 리튬이온 이차전지 표면에 형성된 덴드라이트 결정의 모습과 (우) 덴드라이트가 형성되지 않은 p형 반도체 전극의 표면 ⓒKIST

연구팀은 전도성이 높은 반도체 소재인 풀러렌(fullerene, 탄소 60개가 오각형 모양으로 결속해 축구공 모양을 이룬 물질)을 플라즈마에 노출시켜 리튬금속전극과 전해질 사이에 반도체 박막을 만들어 덴드라이트가 형성되지 않게 했다. 개발된 반도체 박막은 전자는 통과시키고 리튬이온은 통과시키지 못하게 하는데, 전극 표면에서 전자와 이온이 만날 수 없어 리튬 결정이 형성되지 않아 덴드라이트의 형성 또한 원천적으로 차단할 수 있다.

전극의 안정성을 테스트하기 위해 리튬-리튬 대칭셀로 실험했을 때, 일반 리튬금속 전극이 20회 충·방전 사이클까지 안정적이었던 10mA/㎠ 전류밀도, 10mAh/㎠ 전류용량의 극한 전기화학 환경에서 연구진이 개발한 반도체 박막을 갖는 전극은 리튬 덴드라이트의 성장 없이 1,200 사이클 동안 안정적이었다. 또한 리튬코발트산화물 양극과 개발된 전극을 이용하여 안정성 평가를 수행한 결과 500 사이클 후에 용량의 약 81%가 유지되었는데, 약 52% 정도만 유지되는 일반 리튬금속전극에 비해 약 60% 향상되었다.

(좌) 오믹접촉을 하는 n형 반도체와 리튬금속 사이를 전자는 통과하면서 반도체층 내부에 리튬금속이 형성된다. 또한 전해질 성분과 반응하여 두꺼운 SEI 층이 형성된다. (우) 쇼트키접촉을 하는 p형 반도체와리튬금속 사이는 전자는 통과하지 못하고 층 바로 밑에서 통과해온 리튬이온과 반응하여 반도체층 밑에서만 리튬이 증착된다. 터널링현상으로 계면을 통과한 소수의 전자만이 전해질막을 통과하여 얇은 SEI 막을 형성한다. ⓒKIST

KIST 이중기 박사는 “이번 연구에서 개발된 고안전성 리튬금속전극 개발 기술은 기존의 리튬금속에서 발생하는 금속 덴드라이트 발생을 억제하면서 화재의 위험이 없는 안전한 차세대 이차전지 개발을 위한 차세대 융합형 원천기술로써 주목받을 것으로 기대된다.”라며 “이번에 반도체 박막을 형성하기 위해 사용한 고가의 풀러렌이 아닌 다른 저렴한 소재를 통해 본 기술을 적용하려는 연구를 진행할 예정이다. 재료, 공정비용을 낮춰 상용화에 한 발 더 다가갈 예정”이라고 밝혔다.

또한 이 박사는 기술의 실용화에 대하여 “현재 개발된 기술은 당장 실용화 가능 기술보다는 학문적 융합기술의 구현에 의미가 있으며, 반도체 물리 이론을 활용하여 이차전지 계면현상을 이론 및 실험적인 방법을 병행하여 고 안정성 리튬 전극을 제조한 방법개발에 의미가 있다”라며, “고안전성 리튬금속전극 개발은 전기자동차, 웨어러블로봇, 드론과 같이 4차산업에 필요한 에너지원으로 활용될 것으로 기대된다. 실용화를 위해서는 저렴한 전구체 및 코팅 기술의 개선이 이루어져야 한다”라고 덧붙였다.

ⓒ게티이미지뱅크

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자사업, 해외우수신진연구자사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제 저널인 ‘ACS Energy Letters’ (IF: 19.003, JCR 분야 상위 1.852%) 최신 호에 게재되었다.

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