GIST, 2분 공정으로 리튬금속전지 최대 난제 해결…차세대 배터리 구현에 한 걸음 더

신소재공학과 엄광섭 교수와 이창현 박사과정생이 실험을 진행하고 있다. (사진=지스트)

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 차세대에너지연구소 엄광섭 소장(신소재공학과 교수) 연구팀이 짧은 전기 신호를 반복적으로 가해 전극 표면을 정밀하게 다듬는 방식(전기화학적 펄스 증착 공정)으로, 리튬금속전지 음극에서 리튬 이동과 안정성을 결정하는 표면(계면)을 단 2분 만에 형성하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구의 핵심은 배터리 음극에서 전류를 전달하는 구리 표면에 주석(Sn)을 극소량만 도입해, 머리카락보다 훨씬 가는 나노와이어 전구체(SCN) 구조를 형성한 것이다. 이를 통해 리튬 금속이 한쪽으로 뭉치지 않고 고르게 쌓일 수 있는 안정적인 계면을 빠르고 간단한 공정으로 구현할 수 있음을 입증했다.

전기차(EV)와 에너지저장장치(ESS)는 전기를 저장했다가 필요할 때 안전하고 안정적으로 사용하는 것이 중요하다. 현재 이러한 시스템에는 상용 리튬이온전지가 주로 사용되고 있다.

리튬이온전지는 크기와 무게에 비해 많은 에너지를 저장할 수 있다는 장점이 있지만, 흑연으로 만든 음극의 구조적 한계로 인해 저장할 수 있는 에너지의 양에는 한계가 있다. 이 때문에 기존 리튬이온전지를 넘어서는 차세대 고에너지 배터리 기술에 대한 관심이 커지고 있다.

리튬 전착 단계 개념도. (사진=지스트)

연구팀은 흑연 대신 리튬 금속을 음극으로 사용하는 ‘리튬금속전지’ 주목했다. 리튬금속전지는 이론적으로 매우 많은 에너지를 저장할 수 있어, 차세대 고에너지 배터리로 큰 잠재력을 지닌 기술이다.

그러나 충·방전 과정에서 리튬 이온이 계면을 따라 고르게 이동하지 않으면, 음극 표면에 리튬이 한쪽으로 쌓이면서 뾰족한 결정 구조인 ‘덴드라이트’가 자라날 수 있다. 덴드라이트가 성장하면 전극 계면이 불안정해지고, 배터리 성능과 수명이 빠르게 떨어진다. 이 때문에 리튬금속전지를 실제로 사용하기 위해서는 리튬 이온이 빠르고 균일하게 이동하도록 제어할 수 있는 새로운 전극·계면 설계 기술이 필요하다.

연구팀은 필요한 기능만 살리고 부작용은 줄이는 정밀한 설계 전략을 적용했다. 이를 통해 주석(Sn)을 원자 수준으로 극소량만 도입해, 재료가 과도하게 섞이거나 변형되는 문제 없이도 리튬이 잘 달라붙는 음극 계면을 만드는 데 성공했다. 그 결과 리튬 금속이 한쪽으로 뭉치지 않고 고르게 쌓이도록 유도할 수 있었으며, 전극 구조의 변형과 성능 저하도 효과적으로 억제할 수 있음을 확인했다.

특히 머리카락보다 훨씬 가는 나노 구조의 계면은 충전 초기에 자연스럽게 보호막 역할을 하는 고체전해질계면(SEI)으로 바뀌면서, 리튬 이온이 빠르고 안정적으로 이동할 수 있는 통로를 형성한다.

연구팀은 정밀하게 설계한 음극 계면 구조를 통해 리튬 이온이 이동하는 속도를 기존 구리 계면보다 약 24배 빠르게 만들었다. 그 결과 리튬금속전지에서 오래된 문제로 꼽혀 온 리튬이 고르게 쌓이지 않는 현상과 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있었다.

왼쪽부터 신소재공학과 엄광섭 교수, 이창현 박사과정생. (사진=지스트)

이 구조(나노와이어 계면 구조)를 적용한 배터리는 900시간 이상 안정적으로 작동했으며, 리튬인산철(LFP) 양극을 적용한 실제 배터리 시험에서도 약 1시간 이내에 충·방전이 이뤄지는 고속 조건(1.0C)에서 480회 사용 후에도 초기 용량의 98.2%를 유지하는 결과를 보였다.

이는 고속 충전과 긴 배터리 수명을 동시에 확보했다는 점에서, 전기차와 에너지저장장치 등 산업 현장에서의 활용 가능성이 크다는 의미다.

엄광섭 교수는 “이번 연구는 리튬금속전지 상용화의 가장 큰 난제로 꼽혀 온 덴드라이트 형성 문제를 리튬 음극의 전기화학적 계면 설계만으로 효과적으로 해결할 수 있음을 입증했다는 점에서 의미가 크다”며, “2분 이내에 구현 가능한 간단한 공정으로도 고속 충전과 긴 수명 을 동시에 확보할 수 있어, 기존 배터리 제조 공정에 바로 적용할 수 있는 실용적 기술”이라고 말했다.

이어 “앞으로는 기존 리튬이온전지보다 2배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있는 리튬금속전지의 상용화를 앞당기는 데에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다. GIST 신소재공학과 엄광섭 교수(교신저자)가 지도하고 이창현 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업과 미래방사선 강점기술 고도화사업의 지원을 받았다.

연구 결과는 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’에 2026년 1월 29일 온라인으로 게재됐다. 한편 GIST는 이번 연구 성과가 학술적 의의와 함께 산업적 응용 가능성까지 고려한 것으로, 기술이전 관련 협의는 기술사업화센터([e-mail])를 통해 진행할 수 있다고 밝혔다.