리튬 증착 메커니즘의 수학적 규명
고에너지 밀도 배터리 상용화 가능 확대

한국기술교육대학교는 에너지신소재화학공학부 김석준 교수 연구팀이 리튬 금속 배터리 및 무음극 리튬 이온 배터리 성능을 획기적으로 향상할 수 있는 새로운 ‘이차전지 인터페이스 설계 기술’을 개발했다고 3일 밝혔다.

연구팀은 충전 과정에서 리튬이 불균일하게 증착되며 발생하는 덴드라이트(dendrite) 성장 억제를 위한 전략으로, 리튬 금속 및 집전체 표면에 두께 5~15㎚ 이차원 전이금속 디칼코게나이드(2D TMD) 박막(PtTe2, PdTe2, NiTe2)을 적용했다.

PtTe2 박막은 높은 결정학적 안정성을 바탕으로 리튬 금속 및 집전체 표면에서 리튬 표면 확산 속도(surface diffusivity)를 효과적으로 증가시켜, 초기 핵 형성 및 성장을 균일하게 유도했다

반면, PdTe2 및 NiTe2 박막은 상대적으로 낮은 열역학적 안정성으로 리튬과의 반응 시 상분해(phase decomposition)와 동시에 Li2Te가 형성되는 등 안정적 고체 전해질 계면(Solid Electrolyte Interphase, SEI) 형성을 촉진했다.

PdTe2 코팅이 적용된 리튬 금속 음극은 상용 수준의 고용량 조건에서도 기존 리튬 금속 음극 수명 한계를 개선했다.

해당 기술은 액체 전해질이 사용되는 이차전지뿐만 아니라, 전고체 이차전지 상용화에 필수적인 핵심 기술로 평가된다.

김석준 교수는 “이번 연구는 이차전지 인터페이스 설계에서 리튬 증착 균일도가 표면 확산도와 핵생성 밀도의 함수로 작용함을 규명한 것으로, 새로운 설계 패러다임을 제시한 것”이라고 설명했다.

연구 결과는 세계적인 재료과학 저널 Advanced Materials에 6월 1일 자로 온라인 게재됐다.