UNIST(울산과학기술원)는 에너지화학공학과 이현욱 교수가 리튬 금속 음극 소재 표면에 형성된 고체전해질 계면(SEI)층의 나노구조와 성능 향상 원리에 대해 규명했다고 18일 밝혔다. 연구는 고려대 화공생명공학과 곽상규 교수와 미국 라이스대학교 하오티안 왕 교수팀과 공동으로 진행됐다.
이들은 극저온 투과전자현미경 분석법(Cryogenic electron microscopy)과 범밀도함수 이론(Density functional theory, DFT) 계산을 활용한 공동 연구를 진행했다.
리튬 금속 음극 소재는 상용화된 흑연 음극 소재보다 약 10배 높은 용량으로 인해 차세대 전지 음극 소재로 활발히 연구되고 있다. 하지만 소재의 불안정성으로 인해 상용화가 어렵고, 특히 전지를 구동하는 과정 중 소재 표면에 형성되는 고체전해질 계면층의 구조와 구동 원리에 대한 이해 부족 등 다양한 문제점이 발견되고 있다.
연구팀은 리튬 금속 및 고체전해질 계면층 분석을 위해 극저온 투과전자현미경 분석법을 활용했다. 2017년 노벨화학상을 받은 연구주제를 활용한 것으로 소재를 약 영하 175도의 극저온 상태로 냉각시켜 나노 단위의 고도분석을 하는 기술이다. 이 분석법을 통해 민감한 특성으로 인해 분석에 어려움을 겪었던 리튬 금속과 그 계면층의 정확한 구조를 파악하는 데 성공했다.
이현욱 에너지화학공학과 교수는 “전지 전체 성능에 영향을 줄 수 있는 계면 분석이 중요하다는 점을 많은 연구진들이 공감하고 있다. 그러나 이차전지에 적합한 고도분석 센터는 우리나라에 부족한 실정이다”고 말했다. 그러면서 “이에 UNIST에서 이차전지와 차세대전지를 고도분석할 수 있는 올인원 분석센터를 설비하고 있는데 이런 인프라 구축을 통해 우리나라 이차전지 역량을 극대화하는게 필요하다”고 연구의 기대효과를 설명했다.
연구에서 규명한 이중 고체전해질 계면층은 무기 성분 리튬 금속 음극 표면에 고르게 분포하고 있어 빠른 속도로 리튬 이온의 전도가 가능하다. 즉, 국부적으로 리튬이 집중되는 현상을 방지하고 전지 구동에 치명적인 수지상 형성 또한 억제할 수 있음을 밝혀냈다.
이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스’에 4월13일에 게재됐다. 차형석기자 stevecha@ksilbo.co.kr
