[더테크=조명의 기자] UNIST는 에너지화학공학과 이현욱 교수가 리튬 금속 음극 소재 표면에 형성되는 고체전해질 계면(SEI) 층의 나노구조와 성능 향상 원리에 대해 규명했다고 18일 밝혔다.

이번 연구는 고려대 화공생명공학과 곽상규 교수, 미국 라이스대학교 하오티안 왕 교수팀과 공동으로 진행했다. 

리튬 금속 음극 소재는 상용화된 흑연 음극 소재 보다 용량이 약 10배 이상 높아 차세대 전지 음극 소재로 활발히 연구되고 있다. 하지만 소재의 불안정성과 함께 전지 구동 과정 중 소재 표면에 형성되는 SEI층의 구조와 구동 원리에 대한 이해 부족 등으로 상용화에 어려움을 겪고 있다. 

연구팀은 리튬 금속 및 고체전해질 계면층 분석을 위해 극저온 투과전자현미경 분석법과 범밀도함수 이론 계산을 활용했다. 극저온 투과전자현미경 분석법은 2017년 노벨화학상을 받은 연구주제를 활용한 것으로 소재를 약 –175℃의 극저온 상태로 냉각시켜 나노 단위의 고도분석을 하는 기술이다. 

분석 결과 이중 고체전해질 계면층은 무기 성분 리튬 금속 음극 표면에 고르게 분포하고 있어 빠른 속도로 리튬 이온의 전도가 가능한 것으로 나타났다. 즉, 국부적으로 리튬이 집중되는 현상을 방지하고 전지 구동에 치명적인 수지상 형성을 억제할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 

논문의 1저자인 위태웅 라이스대학교 박사후연구원은 “리튬 금속 소재 표면의 고체전해질 계면층에 대한 분석들은 대부분 성분 변화를 추론하는 데 그쳤다”며 “이번 연구를 통해 정확한 나노구조를 규명해 계면층 연구의 새로운 방향을 제시했다”고 말했다.  

이어 “이중 고체전해질 계면층의 구조와 성능 향상 원리를 밝힘으로써 리튬금속전지 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 강조했다. 

이현욱 에너지화학공학과 교수는 “전지 전체 성능에 영향을 미치는 계면 분석이 중요하지만 이에 적합한 고도분석 센터는 한국에 부족한 실정”이라며 “이차전지와 차세대전지를 고도분석할 수 있는 인프라 구축을 통해 이차전지 역량을 극대화하는게 필요하다”고 말했다. 

이번 연구는 UNIST 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연계 신진후속 사업, 한국에너지기술평가원 에너지신산업 글로벌 인재육성사업의 지원으로 수행됐다.

연구결과는 에너지 분야 국제 저명학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 4월 13일에 게재됐다.