국내·외 공동연구진이 리튬 금속 음극 소재 표면에 형성되는 이중 고체전해질 계면층의 구조와 성능 향상 원리를 규명했다.

18일 울산과학기술원(UNIST)에 따르면 에너지화학공학과 이현욱 교수와 고려대 화공생명공학과 곽상규 교수, 미국 라이스대(Rice University) 하오티안 왕 교수팀은 극저온 투과전자현미경 분석법과 범밀도함수 이론 계산을 활용한 공동연구를 진행했다.

리튬 금속 음극 소재는 상용화된 흑연 음극 소재보다 약 10배 높은 용량으로 차세대 전지 음극 소재로 주목받고 있다.

그러나 소재의 불안정성으로 상용화가 어렵고, 전지를 구동하는 과정 중 소재 표면에 형성되는 고체전해질 계면층의 구조와 구동 원리에 대한 이해 부족 등 다양한 문제점이 발견되고 있다.

공동연구팀은 리튬 금속과 고체전해질 계면층 분석을 위해 극저온 투과전자현미경 분석법을 활용했다.

소재를 영하 175도 극저온 상태로 냉각해 나노 단위 고도 분석을 하는 기술이다.

공동연구팀은 이 분석법으로 리튬 금속과 그 계면층의 정확한 구조를 파악하는 데 성공했다.

제1저자인 라이스대 위태웅 박사후연구원은 "리튬 금속 소재 표면의 고체전해질 계면층에 대한 분석들은 대부분 성분 변화를 추론하는 데 그쳤지만, 이번 연구를 통해 정확한 나노 구조를 규명했다"며 "기존에 알려지지 않았던 이중 고체전해질 계면층의 구조와 성능 향상 원리를 밝혀냄으로써 리튬 금속 전지 상용화에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구에서 규명한 이중 고체전해질 계면층은 무기 성분 리튬 금속 음극 표면에 고르게 분포하고 있어 빠른 속도로 리튬 이온 전도가 가능하다고 공동연구팀은 설명했다.

국부적으로 리튬이 집중되는 현상을 방지하고 전지 구동에 치명적인 수지상 형성을 억제할 수 있는 것으로 나타났다.

이현욱 교수는 "전지 전체 성능에 영향을 줄 수 있는 계면 분석이 중요하다는 점을 많은 연구진이 공감하고 있지만, 이차전지에 적합한 고도 분석 센터는 부족한 실정"이라며 "UNIST는 이차전지와 차세대 전지를 고도 분석할 수 있는 올인원 분석센터를 설비하고 있는데, 이런 인프라 구축을 통해 우리나라 이차전지 역량을 극대화하는 게 필요하다"고 말했다.

연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 '미국화학회 에너지 레터스'(ACS Energy Letters)에 4월 13일 게재됐다.

연구는 UNIST 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연계 신진후속 사업, 한국에너지기술평가원 에너지신산업 글로벌 인재육성사업의 지원을 받아 이뤄졌다.