한국과학기술원(KIST)이 최근 전기차 분야에서 우려한 리튬이온 배터리 화재와 폭발 사고 등을 극복할 수 있는 반도체 기술 개발에 성공했다.

덴드라이트 결정이 형성된 일반 리튬이온 이차전지(왼쪽)와 덴드라이트가 형성되지 않은 이중기 박사 연구팀의 개발 반도체 전극 / 한국과학기술원
덴드라이트 결정이 형성된 일반 리튬이온 이차전지(왼쪽)와 덴드라이트가 형성되지 않은 이중기 박사 연구팀의 개발 반도체 전극 / 한국과학기술원
27일 한국과학기술원에 따르면, 에너지저장연구단 소속 이중기 박사 연구팀은 리튬금속 전극 표면에 반도체 박막을 형성해 배터리 화재 원인 덴드라이트 형성을 원천 차단한 반도체 제조 기술을 개발했다.

덴드라이트는 배터리 충전시 리튬이온이 음극으로 이동해 표면에서 리튬금속으로 저장되는 과정에서 발생한다. 전극의 부피를 팽창시키고 전극과 전해질 사이 반응을 유발해 화재를 일으키고 전지 성능을 저하시킨다.

이 박사 연구팀은 전도성 높은 반도체 소재 ‘풀러렌’을 활용한 반도체 박막으로 덴드라이트 형성 문제를 해결했다. 풀러렌은 60개 탄소가 오각형 모양으로 결속돼 축구공 모양처럼 형성된 물질이다. 풀러렌에서 유도된 카본막을 이용한 반도체는 이온만 통과시켜 리튬금속이 반도체 층 밑으로만 형성되게 한다. 반도체 층 밑은 리튬금속이 형성돼도 덴드라이트가 발생되지 않는 부분이다.

풀러렌으로 만들어진 반도체 박막을 가진 전극은 1200사이클(배터리 100% 충방전 횟수) 동안 안정적 모습을 보였다. 일반 리튬금속전극 대비 60배 향상된 사이클 안전성이다.

리튬코발트산화물 양극과 개발된 전극을 이용해 진행한 안정성 평가에서도 풀러렌 박도체 박막 전극은 500사이클 후 용량 81%쯤을 유지했다. 일반 리튬금속전극의 용량은 52%정도 유지되는데 성능을 60%가까이 향상시킨 셈이다.

이중기 박사는 "이번 연구에서 개발된 고안전성 리튬금속전극 개발 기술은 금속 덴드라이트 발생을 억제하면서 화재 위험이 없는 안전한 차세대 이차전지 개발을 위한 원천기술로 주목받을 것으로 기대된다"며 "이번에 사용된 풀러렌이 아닌 다른 저렴한 소재를 활용해 덴드라이트 형성 차단 기술을 적용하는 연구를 진행할 예정이다"라고 말했다.

이민우 기자 minoo@chosunbiz.com