한국화학연구원은 차세대 리튬금속전지의 최대 난제인 덴드라이트 문제를 해결할 보호막 전사(轉寫) 인쇄 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

리튬금속전지는 음극재에 흑연 대신 리튬금속을 사용하는 전지로, 에너지 밀도가 높아 기존 리튬이온전지를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있다.

다만 충·방전 과정에서 리튬금속의 표면에 생기는 덴드라이트(dendrite·나뭇가지 모양의 결정) 때문에 화재 위험이 커지고 수명이 짧아지는 문제가 있다.

덴드라이트 형성을 막기 위한 기존 보호막 제조 습식 공정은 유기용매로 인한 잔류물 생성과 리튬 손상 가능성 등 문제로 상용화에 어려움이 있었다.

석정돈 박사 연구팀은 고체 고분자와 세라믹을 복합한 하이브리드 보호막을 리튬금속 표면에 얇게 부착하는 전사 인쇄 공정을 통해 덴드라이트 성장을 억제하는 데 성공했다.

별도의 기판 위에서 보호막 박막을 제조한 뒤 리튬금속 표면에 롤 압착 방식으로 얇게 전사하는 기술로, 용매를 쓰지 않아 리튬 손상을 막을 수 있고 두께를 균일하게 구현할 수 있다.

연구팀이 개발한 보호막은 100회 충·방전 후에도 81.5%의 용량 유지율과 99.1%의 쿨롱 효율(충전 용량 대비 방전 용량 비율)을 달성, 보호막이 없을 때보다 2배 이상 수명이 향상됐다.

배터리를 9분 안에 완전히 방전시키는 고출력 조건에서도 74.1%의 용량을 유지해 더 빠르고 안정적인 고효율 충·방전 특성을 보였다.

연구팀은 "고에너지밀도 리튬금속전지 상용화의 핵심 요소로서, 앞으로 전기차(EV)·에너지저장장치(ESS) 등 고에너지 저장장치에 폭넓게 적용할 수 있을 것"이라고 기대했다.