▲ 화학연 서동범 박사 연구원이 유기화학 기상증착 (MOCVD) 장비를 조작하고 있다.

국내 연구진이 낮은 비용의 2차원 소재를 이용해, 차세대 전지인 무음극 전고체 전지의 수명을 7배 향상시키는 기술을 확보해 차세대 전지의 안정성이 한계 극복이 기대 된다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 안기석, 서동범 박사 연구팀과 충남대학교(총장 김정겸) 박상백 교수 공동 연구팀이 금속-유기 화학 기상 증착법으로 성장시킨 이황화몰리브덴(MoS2)을 차세대 무음극 전고체 전지의 집전체에 적용해, 수명을 크게 높이는 기술을 선보였다고 1일 밝혔다.

리튬 이차전지는 휴대폰, 무선 가전 등 다양한 전자기기의 에너지원으로 활용된다. 이 배터리는 충전 시 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동해 음극 표면에 부착되는 원리로 작동한다.

그러나 급속 충전, 과충전, 음극 표면의 불균일성 등의 요인으로 인해 특정 지점에 리튬 금속이 뾰족하게 자라나는 덴드라이트(dendrite) 현상이 발생할 수 있다.

이 덴드라이트가 액체 전해질을 관통해 양극에 도달하면, 단락(쇼트)과 열 폭주현상이 일어나며, 인화성이 높은 액체 전해질이 고온에서 발화하여 화재 및 폭발 위험이 커진다.

이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 전고체 전지가 주목받고 있다. 전고체 전지는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 2차 전지로, 인화성 물질을 배제하여 안전성을 대폭 향상시킨다.

또한 고체 전해질은 에너지 밀도와 출력 향상, 저온 환경에서의 성능 유지 등의 기술적 이점을 제공하여 차세대 에너지 저장 장치로서의 가능성을 높이고 있다.

연구자들은 여기서 더 나아가, 음극 없이 생산하는 차세대 ‘무음극 전고체 전지’도 연구하고 있다. ‘양극-고체 전해질-집전체’ 구조로 생산한 뒤, 첫 충전 시 양극에서 나온 리튬 이온이 집전체에 달라붙으며 리튬 층을 형성해 스스로 음극이 생기도록 하는 방식이다.

생산 시 음극이 없는 만큼 일반 전고체 전지보다 부피를 줄일 수 있어 에너지 밀도 극대화, 즉 배터리 소형화 및 에너지 저장 용량 확대가 가능하다.

다만 충전할 때는 리튬 이온이 집전체에 달라붙어 얇은 음극을 형성했다가 방전되면 다시 리튬 음극 층이 없어지는 과정이 반복된다. 이 때 음극과 고체 전해질 사이 경계면이 불균일해지며 안정성이 떨어져 수명이 짧아지는 단점이 있었다.

이에 균일한 음극 도금 유도·음극 보호막 생성을 위해 은·인듐 등 친 리튬성 귀금속 박막을 적용했지만, 소재가 비싸고 공정이 복잡해 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 귀금속에 비해 저렴한 ‘이황화몰리브덴’ 박막을 적용했다. 반도체 공정에 사용되는 금속 유기화학 기상 증착법으로 스테인리스강 (SUS) 집전체에 이황화몰리브덴 나노시트 박막을 정밀한 두께로 코팅해, 충·방전 과정에서 경계면 안정화 층이 추가로 생성되도록 유도했다.

이황화몰리브덴(MoS2)은 충·방전 시 리튬과 반응해 몰리브덴(Mo) 금속과 황화리튬(Li2S)으로 변환된다. 이들은 음극과 고체 전해질 사이에서 새로운 층을 형성해, 리튬이 특정 부위에 뾰족하게 성장하는 ‘덴드라이트 현상’을 방지하고 배터리의 수명과 안정성을 높인다.

실험 결과, 집전체에 이황화몰리브덴 희생막을 적용한 경우 300시간 이상 안정적으로 작동했다. SUS 전극만 사용한 경우 약 95시간 만에 단락이 발생한 것과 비교하면 약 3.2배 이상 안정성이 향상된 것이다.

또한 이황화몰리브덴 희생막을 적용한 전지는 기존 SUS 전극 활용 전지 대비, 초기 방전 용량이 1.18배(136.1 → 161.1 mAh/g), 수명은 7배 향상됐다.(20회 사이클 후 용량 유지율이 8.3% → 58.9%)

연구팀은 현재는 연구개발 초기 단계라며, 2032년 실용화를 예상했다. 또한 연구팀은 “저렴한 MoS2 소재를 활용해 기존 귀금속 기반 전고체 전지의 한계를 극복한 점에서 의미 있는 기술”이라고 말했다.

화학연 이영국 원장은 “다양한 응용 분야에서 전고체 전지 상용화를 앞당길 수 있는 차세대 핵심기술이 될 것으로 기대한다”고 전했다.

한편, 이번 논문은 2025년 4월 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Nano-Micro Letters (IF: 31.6)’에 게재되었다. 이번 연구는 화학연 기본사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단 과학기술분야 기초연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.