고려대학교 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀(제1저자: 현재환 석박통합과정, 이민정 석사과정, 정혜진 석사)은 높은 충·방전 용량으로 리튬을 전착·탈리시킬 때 쿨롱효율은 높아지고, 과전압은 낮아지는 경향성을 발견했다. 나아가, 전기화학적 분석과 실시간 이미징 분석법을 통해 경향성에 관한 원인을 제시했다.
* 논문명: Electrochemical behavior and morphological evolution of Li metal anode under high cycling capacity
* 저자: Jae-Hwan Hyun, Min-Jeong Yi, Hyejin Jung, Si-Hwan Lee, Ji Hyun Um, Seung-Ho Yu

이번 연구성과는 국제 저명 학술지 ‘에너지 스토리지 머터리얼즈 (Energy Storage Materials)’ (IF=20.831)에 유럽 현지시간 10월 17일 게재됐다.

리튬 금속 이차전지는 현재 상용화되어 있는 리튬 이온 이차전지의 한정된 용량 문제를 해결할 수 있는 유력한 차세대 전지 후보들 중 하나이다. 기존의 흑연 음극(372 mAh/g) 대신 리튬 금속(3,860 mAh/g) 자체를 음극으로 사용하기에 10배 이상의 용량을 발현할 수 있다. 

그러나, 리튬의 불균일한 전착으로 인해 나뭇가지처럼 뾰족한 모양의 수지상(덴드라이트, Dendrite)이 형성하면서 전지의 안전성이 저하되고, 리튬 금속과 전해질 사이의 부반응으로 인한 높은 과전압과 낮은 쿨롱 효율 등으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 

이에 과전압과 쿨롱 효율에 직접적으로 영향을 주는 요인이 무엇인지 명확하게 규명하고 리튬 금속 이차전지의 문제를 해결할 수 있는 전략의 개발이 필요한 상황이다.

리튬 금속 이차전지에서 충·방전 용량이 늘어날수록 절대적으로 더 많은 양의 리튬 수지상이 성장하고, 탈리 과정에서도 전기화학적으로 반응할 수 없는 리튬이 더욱 많이 생성된다. 

이는 전지의 쿨롱 효율을 떨어뜨리고, 저항과 과전압의 증가를 유도하기 때문에 충·방전 용량을 작게 유지하는 것이 전지의 성능 측면에서 유리하다고 널리 생각되어 왔다. 

그러나 높은 충·방전 용량으로 전착·탈리 사이클을 진행할 때 오히려 높은 쿨롱 효율과 낮은 과전압이 나오는 경향성이 발견됐다.

유승호 연구팀은 해당 경향성의 제시와 함께 다양한 전기화학 분석과 가시광선을 이용한 실시간(operando) 이미징 분석 기법을 통해 통념에 반대되는 현상의 원인을 명확하게 입증했다. 충·방전 용량을 달리하였을 때 과전압 차이가 가장 많이 나는 반응 과정은 ‘피트(pit)’와 연관이 있었다고 설명했다. 

피트는 평평한 리튬 금속에서 리튬을 탈리시킬 때 형성되는 구덩이를 뜻한다. 과전압 차이는 탈리 과정 이후 리튬 금속에 리튬이 전착될 때, 그리고 전착된 리튬 중 가역적인 부분이 모두 돌아가고 추가적인 탈리를 위해 리튬 금속에서 피트가 넓어질 때 가장 많이 발생했다고 설명했다. 

이 과정들은 모두 피트와 그 주위에서만 반응이 일어난다는 것을 실시간 이미징 분석 기법을 통해 알아냈다는 것을 설명하고 있다. 더 나아가, 충·방전 용량이 클 때 더 큰 피트가 생기게 되고, 이로 인해 같은 전류에 대해 작용 표면적이 넓어지면서 전류밀도가 감소하고, 결과적으로 낮은 과전압과 높은 쿨롱 효율이 나타남을 명확하게 밝혀냈다.

유승호 고려대 교수는 “이번 연구는 리튬 금속 음극에서 성능을 향상시키기 위해 피트의 특징을 명확히 이해하고, 리튬 금속의 활성 표면적을 증가시키는 것이 매우 중요하다는 것을 시사한다. 이를 통해 기존 리튬 이온 전지의 용량 한계를 해결할 수 있는 차세대 리튬 금속 이차전지의 실용화를 한 걸음 더 앞당기는 데 도움을 줄 것”이라고 말했다.

이현건 기자 다른기사 보기