조진한 고려대 화공생명공학과 교수 연구진이 간단한 은 이온 공정만으로 리튬 금속 배터리의 수명과 안전성을 높이는 초박막 코팅 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

리튬 금속은 에너지를 많이 저장할 수 있고 전압 손실이 적어, 차세대 고에너지 배터리의 핵심 소재로 주목받고 있다. 하지만 충·방전 과정에서 리튬 금속이 나뭇가지 모양으로 자라나는 ‘덴드라이트’ 현상이 나타나면 폭발 위험이 커지고, 배터리의 수명과 효율이 급격히 떨어진다.

연구진은 리튬이 균일하게 쌓이도록 보호막을 형성하는 기술을 개발했다. 전극 지지체 위에 은 이온과 트리티오시아누르산(TCA)을 번갈아 쌓는 방식이다. 이 공정은 용액만을 이용한 상온 상압 방식으로, 별도의 나노입자 합성이나 고온 열처리 과정이 필요하지 않다.

이렇게 쌓인 은 이온은 전지 작동 과정에서 자연스럽게 은 나노입자로 변하며 리튬이 고르게 쌓이도록 돕는다. 동시에 TCA 성분은 안정적인 보호막을 형성해, 장시간 사용해도 전극이 손상되지 않도록 한다. 결과적으로 덴드라이트 생성을 억제하면서도 충·방전 효율을 유지할 수 있다.

개발한 전극을 적용한 리튬 금속 배터리는 2000시간 이상 안정적으로 구동됐으며, 일반 양극을 사용한 전지에서도 1300회 이상 충·방전 후 96% 이상의 용량을 유지했다. 실제 상용화 수준의 조건에서도 높은 효율을 보였다.

조진한 교수는 "이번 연구는 복잡한 합성 과정을 거치지 않고, 은 이온만으로 리튬 전극의 계면을 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준 성과”라며 “향후 리튬뿐 아니라 나트륨·아연 등 다양한 금속 전지로도 확장할 수 있는 기술 플랫폼으로 발전할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 성과는 에너지 저장 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 지난 9월 13일(현지 시각) 게재됐으며, 표지 논문으로 선정됐다.