“반도체 초미세 공정 넣었더니” 덴트라이트 억제…‘리튬금속전지’ 수명 늘린다

입력 2026-09-22 08:38:46

- KAIST-경북대-나노종합기술원, 리튬 고르게 쌓이는 구리판 설계

- 덴트라이트 억제하고 단단한 보호막 형성, 전기차 주행거리 향상

초미세 나노공정을 활용한 무음극 리튬 금속전지 연구 이미지(AI 생성) 이미지.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 차세대 전지로 각광받는 ‘무음극 리튬금속전지’의 덴트라이트 형성을 억제하고 수명을 늘릴 수 있는 기술 개발에 성공했다.

KAIST는 생명화학공학과 이진우·정희태 교수 공동연구팀이 경북대학교, 나노종합기술원 연구진과 함께 반도체 소자 제작에 쓰이는 초미세 공정을 배터리에 적용해 ‘무음극 전지’의 수명을 늘릴 새로운 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

리튬이온전지는 충전된 리튬을 흑연 등의 음극재에 저장한다. 반면 무음극 전지는 별도의 음극재 없이 얇은 구리판 위에 리튬을 직접 쌓는다. 음극재가 차지하던 무게와 공간을 줄일 수 있어 같은 크기의 배터리에 더 많은 에너지를 담을 차세대 기술로 주목받고 있다.

그러나 충전과 방전을 반복하면 리튬이 구리판 위에 고르게 쌓이지 않고 나뭇가지나 가시처럼 자라는 ‘덴드라이트’가 발생한다. 리튬을 보호하는 막도 불안정해져 배터리의 성능과 수명이 빠르게 떨어진다. 이는 무음극 전지의 실용화를 가로막는 대표적인 난제다.

기존에는 무음극 전지의 수명을 늘리기 위해 리튬을 여분으로 넣거나 표면에 두꺼운 보호층을 덧붙였다. 사용 중 줄어들 리튬을 미리 보충하거나 외부에 보호막을 씌우는 방식이다. 하지만 재료가 늘어나는 만큼 배터리가 무겁고 두꺼워져, 작고 가벼운 무음극 전지의 장점이 줄어든다.

연구팀은 재료를 더 넣는 대신 리튬이 쌓이는 구리판 자체를 바꿨다. 평평한 주차장에 주차 구역을 촘촘히 만드는 것처럼 구리판 표면에 미세한 관 모양의 구조를 만들어, 리튬이 한곳에 몰리지 않고 넓게 나뉘어 쌓이도록 했다.

(윗줄 왼쪽부터 시계방향) KAIST 김은지 박사과정생, 정현주 박사과정생, 김진욱 박사과정생, 경북대 이용희 교수, KAIST 정희태, 이진우 교수.[KAIST 제공]

이를 위해 반도체를 정밀하게 가공할 때 쓰는 ‘2차 스퍼터링 리소그래피(SSL)’ 공정을 활용했다. 구리판에 직경 약 300나노미터, 높이 약 150나노미터의 미세한 관을 만들자 리튬이 닿는 면적이 평평한 구리판보다 약 4배 넓어졌다.

구리판 위에는 ‘맥신(MXene)’이라는 2차원 신소재를 약 10나노미터 두께로 입혔다. 머리카락 굵기의 수천분의 1에 불과한 초박막이다. 맥신은 완성된 보호막을 씌우는 것이 아니라, 보호막을 만드는 성분을 끌어모으는 ‘밑칠’처럼 작용한다. 배터리가 작동하면 맥신 표면에 리튬플루오라이드(LiF)가 풍부한 단단한 보호막이 자연스럽게 만들어진다.

이 보호막은 리튬과 전해질 사이의 불필요한 반응을 줄이고, 리튬이 가시처럼 자라는 것도 억제한다. 연구팀은 공기와의 접촉을 차단한 채 배터리 표면과 내부를 정밀하게 관찰해, 맥신을 따라 나노 크기의 보호막이 고르게 만들어지는 것을 확인하고 그 형성 원리까지 규명했다.

연구진은 높은 에너지 밀도와 경량화가 요구되는 전기자동차, 도심항공교통, 드론 및 에너지저장장치용 차세대 배터리에 활용될 것으로 전망하고 있다. 향후 초미세 나노공정의 대면적 연속 생산 가능성을 확보하고 다양한 전해질과 고용량 양극을 적용한 대형 파우치셀 평가를 통해 실용화를 추진할 계획이다.

이진우 교수는 “배터리의 무게와 부피 증가를 최소화하면서 수명을 늘려 고에너지 무음극 전지의 실용화를 앞당길 기반 기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈’에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com