반도체 정밀 패터닝 차용한 '무음극 배터리' 계면 안정화 신기술 발표

기존 리튬이온 배터리의 핵심 부품인 흑연이나 실리콘 음극재를 완전히 없애 배터리 부피를 절반으로 줄이면서도, 고질적인 화재 위험과 수명 저하 문제를 해결한 획기적인 '무음극(Anode-Free)' 배터리 신기술이 공개됐다.

반도체 정밀 공정에서 쓰이는 원자층 박막 기술과 2차원 전도성 나노 소재를 결합해, 충전 시 리튬이 바늘 모양으로 뾰족하게 자라나 분리막을 찢는 '덴드라이트(수지상 결정)' 형성을 원천 봉쇄하는 데 성공했다.

10월 29일(현지시각) 과학 전문매체 사이언스데일리(ScienceDaily)에 따르면, 국제 공동 연구진은 반도체 원자층 증착(ALD) 공정 개념을 차용해 구리 집전체 표면에 2차원 전도성 나노 물질인 '맥신(MXene)' 보호 박막을 균일하게 패터닝하는 계면 안정화 기술을 개발하고 실증 데이터를 공식 발표했다.


무음극 배터리는 제조 단계에서 흑연이나 실리콘 같은 두꺼운 음극 활물질을 아예 코팅하지 않고, 얇은 구리 집전체만 장착한 채 양극에서 넘어오는 순수 리튬 이온을 집전체 표면에 직접 도금(Plating)하듯 환원·증착시키는 차세대 전지 기술이다.
음극 활물질이 차지하던 두께와 무게가 완전히 사라지기 때문에 동일한 부피에서 배터리 에너지 밀도를 최대 2배 이상 끌어올릴 수 있으며, 셀 부피는 기존 대비 최대 50%까지 획기적으로 줄일 수 있다.

그러나 충전 과정에서 리튬 원자가 집전체 표면에 고르게 쌓이지 않고 국소 부위에 집중적으로 뭉치면서 바늘 형태의 결정(덴드라이트)을 형성하는 고질적인 난제가 발목을 잡았다.

이 덴드라이트가 배터리 내부 분리막을 뚫고 양극과 맞닿으면 치명적인 내부 단락(합선)과 열폭주 화재를 유발하고, 불과 수십 회의 충·방전만으로도 용량이 급감해 상용화의 최대 걸림돌로 꼽혀왔다.


연구진은 이 문제를 해결하기 위해 반도체 제조 공정에서 사용하는 정밀 박막 패터닝 기법을 전지 공정에 응용했다.
전기전도성과 친리튬성(Lithiophilic)이 뛰어난 2차원 탄화물·질화물 나노 물질인 맥신을 집전체 위에 원자 수준으로 균일하게 코팅해 인공 계면 보호층을 구축한 것이다.

이 나노 맥신 층은 충전 시 전극 표면의 국소적 전기장 집중을 분산시키고 리튬 이온이 고르게 이동하도록 유도하는 일종의 '원자 완충망' 역할을 한다. 이를 통해 리튬이 뾰족한 수지상 형태로 솟구치지 않고 거울처럼 매끄러운 평면 형태로 균일하게 증착되도록 제어하는 데 성공했다.

실증 테스트 결과, 이 기술이 적용된 무음극 전고체 셀은 가혹한 500회 이상의 급속 충·방전 사이클을 거친 후에도 초기 배터리 용량의 90% 이상을 안정적으로 유지하며 탁월한 내구성을 입증했다. 통상 수십 회 만에 배터리 성능이 붕괴하던 기존 무음극 전지의 수명 한계를 완전히 뛰어넘은 성과다.


배터리 학계 및 산업계에서는 이번 연구가 리튬메탈 배터리는 물론 액체 전해질 대신 불연성 고체를 사용하는 전고체 배터리의 상업화 시점을 대폭 앞당길 분수령이 될 것으로 보고 있다.

특히 전고체 전지 중에서도 음극을 생략한 '무음극 전고체'는 공간 활용성을 극대화해 주행거리 1,000㎞ 이상의 차세대 전기차와 도심항공교통(UAM), 초경량 휴머노이드 로봇에 탑재될 최적의 파워팩으로 꼽힌다.

전기화학 소재 전문가들은 "반도체 박막 제어 기술을 배터리 계면 공학에 성공적으로 이식함으로써, 차세대 배터리의 최대 난제였던 리튬 수지상 단락 위험을 기계적·전기화학적으로 완벽히 차단했다"며 "초고에너지밀도와 안전성을 동시에 만족해야 하는 프리미엄 모빌리티 및 전고체 배터리 양산 라인에 핵심 기술로 안착할 것"이라고 평가했다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com