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전기차 보급이 확대되고 에너지저장장치(ESS) 시장이 성장함에 따라 고성능 배터리에 대한 수요가 급증하고 있다. 리튬 금속 배터리는 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 10배 높은 것으로 알려져 있다. 무게도 가벼워 전기차·드론·항공우주 분야에서 활용될 차세대 배터리로 주목받고 있다.
다만 리튬 금속 배터리는 충전 과정에서 덴드라이트(dendrite)가 형성되는 문제가 있다. 이 덴드라이트는 음극 표면에 비대칭적으로 자라 배터리 성능을 저하시킬 뿐 아니라 화재를 유발하는 등 배터리 안정성을 심각하게 위협한다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 리튬 금속 음극에 적합한 다차원 집전체 기술을 개발했다. 기존의 다차원 집전체는 리튬이 상단에서 증착, 덴드라이트 성장을 억제하지 못하는 한계를 지니고 있었다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 리튬 친화성이 높은 마그네슘을 집전체 하단에 나노 수준으로 증착하는 기술을 개발했다. 이를 활용해 리튬 증착을 하단부에서부터 균일하게 유도함으로써 덴드라이트 성장을 억제하는 데 성공했다.
연구팀이 개발한 집전체 기술은 기존 대비 3배 이상의 안정성과 성능을 보이는 것으로 나타났다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 신진연구자사업 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 재료과학 분야 저명 국제학술지(ACS Nano) 2025년 1월호에 게재될 예정이다.
임희대 교수는 “리튬 메탈 배터리의 가장 큰 문제로 꼽혀온 수명 저하와 안전성 문제를 동시에 해결하는 연구 성과”라며 “이번 기술을 더욱 정교화해 리튬 메탈 배터리의 상용화를 가속화할 계획”이라고 했다.
