오믹(Ohmic) 접촉을 하는 n형 반도체와 리튬금속 사이를 전자는 통과하면서 반도체 층 내부에 리튬금속이 형성된다. 또 전해질 성분과 반응해 두꺼운 SEI 층이 형성된다(왼쪽). 쇼트키(Schottky) 접촉을 하는 p형 반도체와 리튬금속 사이는 전자는 통과하지 못하고 층 바로 밑에서 통과해온 리튬이온과 반응해 반도체 층 밑에서만 리튬이 증착된다. 터널링 현상으로 계면을 통과한 소수의 전자만이 전해질 막을 통과해 얇은 SEI 막을 형성한다(오른쪽) /KIST 제공

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 이중기 박사팀이 리튬금속 전극 표면에 반도체 박막을 형성해 리튬이온 전지 화재의 원인인 덴드라이트 형성을 원천 차단했다.
덴드라이트 현상은 전지 음극에 리튬이 나뭇가지처럼 자라는 것으로 리튬이온 전지의 성능이 떨어지고 폭발하는 원인으로 지목되고 있다.
리튬이온 전지를 충전할 때 리튬이온과 전자가 음극으로 이동한다.
이때 리튬이온은 음극에 금속이 만들어지면서 자라고 전지 부피를 팽창시킨다.
결국 리튬금속 가지들이 분리막을 뚫고 양극에 닿게 되면 합선돼 화재나 폭발로 이어질 수 있다.
연구팀은 전도성이 높은 반도체 소재인 풀러렌을 플라즈마에 노출시켜 리튬금속전극과 전해질 사이에 반도체 박막을 만들었다.
이 반도체 박막은 전자는 통과시키고 리튬이온은 통과시키지 못하게 한다.
전극 표면에서 전자와 이온이 만날 수 없어 리튬 결정이 만들어지지 않았다.
결국 덴드라이트의 형성을 원천적으로 차단할 수 있다.
연구팀은 리튬이온 전지에 반도체 박막 기술을 적용해 안정성 실험을 했다.
1200회 충방전을 계속해도 리튬 덴드라이트의 성장 없이 안정적이었다.
리튬코발트산화물 양극과 개발된 전극을 이용해 안정성 평가를 수행한 결과 500회 충방전 후에 용량의 약 81%가 유지됐다.

일반 리튬이온 이차전지 표면에 형성된 덴드라이트 결정의 모습(왼쪽)과 덴드라이트가 형성되지 않은 p형 반도체 전극의 표면/KIST 제공

52% 가량만 유지되는 일반 리튬금속전극에 비해 60% 향상된 것이다.
일반 리튬금속을 전극으로 사용했을 경우에도 20회 충방전까지 안정적이었다.
이번에 개발된 기술은 안전한 이차전지 개발을 위한 차세대 융합형 원천기술로써 주목받을 것으로 기대 되고 있다.
이중기 박사는 “반도체 박막을 만들기 위해 사용한 고가의 풀러렌이 아닌 다른 저렴한 소재를 통해 이 기술을 적용하는 연구를 진행할 계획으로 재료와 공정비용을 낮춰 상용화에 한 발 더 다가갈 것”이라고 밝혔다.

KIST 이중기(왼쪽) 박사와 연구팀이 고 안정 리튬전극용 플라즈마 중합 카본 반도체 소재를 보고 있는 모습/KIST 제공

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 저널인 ‘ACS 에너지 레터스’ 최신호에 게재됐다./이재철 기자 

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