나노 질화규소 전해질로 리튬 금속 전지 수명 문제 해법 제시

수명이 짧아 상용화에 걸림돌이 됐던 리튬 금속 전지에 대한 기술적 해법이 제시됐다. 국내 연구진이 나노 질화규소를 활용한 전해질을 개발해, 고온·고속 충·방전·고전압 등 극한 조건에서도 장기 사이클 성능을 유지할 수 있는 가능성을 입증했다.

한국연구재단은 KAIST 이진우 교수 연구팀이 최남순 교수(포항공대), 이태경 교수(경상국립대) 연구팀과 공동으로, 리튬 금속 전지의 낮은 수명과 전극 부식 문제를 개선한 나노 입자 기반 전해질을 개발했다고 밝혔다.

리튬 금속 전지는 리튬을 음극재로 사용하는 차세대 전지로, 기존 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 높다는 이점을 지닌다. 그러나 실용적인 조건에서는 수명이 급격히 줄고, 고전압에서는 부식이 쉽게 발생해 상용화에 제약이 있었다. 이를 해결하기 위해 사용돼 온 불소계 첨가제는 수명을 늘릴 수 있지만, 가격 문제와 환경 유해성, 다른 전지 성능 저하 등이 한계로 지적됐다.

공동 연구팀은 비불소계 나노 질화규소를 전해질에 도입해 리튬 이온의 용매화 구조를 조절하고, 안정적인 고체전해질 계면(SEI)을 형성하는 전략을 제시했다. 나노 질화규소는 불화수소(HF)를 효과적으로 포집해 양극 부식을 억제하며, 고전압 조건에서도 계면 안정성을 확보할 수 있도록 작용했다.

이 기술을 적용한 리튬 금속 전지는 실용 조건뿐만 아니라 50℃ 고온, 1C 고속 충·방전, 4.5V 고전압에서도 장기 수명을 유지했다. 특히, 360Wh/kg급 파우치셀 실험에서 100사이클 후에도 초기 용량의 74%를 유지해 실용화 가능성을 확인했다.

연구 책임자인 이진우 교수는 "비불소계 나노 입자 하나로 다양한 기능을 구현하고, 이를 파우치형 전지에 적용한 점에서 의의가 있다"고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원한 나노 및 소재기술개발사업의 성과는 에너지 분야 학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 2월호에 게재됐으며, 논문은 속 뒷표지(Inside Back Cover)에도 선정돼 주목을 받았다.

연구진은 이 성과를 통해 기존 불소계 전해질의 한계를 넘어서는 새로운 설계 전략을 제시했으며, 고에너지밀도 대형 리튬 금속 전지 상용화에 기여할 수 있는 기반을 마련했다고 평가했다.