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[IT뉴스]리튬금속전지 덴드라이트 난제 상용수준으로 해결…비밀은 '주석 0.19원자%'

온카뱅크관리자

2026-02-09 09:57:34

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 2분 공정으로 이온이동 속도 24배 빨라져…실험실서 900시간 안정작동 확인 
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 (지디넷코리아=박희범 기자)차세대 전기차용 배터리로 주목받는 리튬금속전지 난제 하나가 상용화 수준으로 해결됐다. 덴드라이트 형성 자체를 원천 차단할 수 있는 기술이 개발된 것.
 덴드라이트는 리튬 배터리 충·방전 과정에서 음극 표면에 쌓이는 나뭇가지 결정체다. 지속적으로 쌓여 성장하면서 배터리 수명 저하나 전해막을 찢어 전지 폭발을 초래한다.
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 <img alt="그림 위는 실시간 광학현미경으로 관찰한 실시간 리튬 전착 거동 분석도. 기존 구리는 120분뒤 덴드라이트가 많이 쌓여있지만, SCN은 120분 뒤 덴드라이트 형성이 안보인다. 아래 그림은 구리표면과 SCN 계면 모식도 비교. 높은 이온 전도도가 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 원리를 나타냈다.이온이 빠르게 전극으로 이동하기 때문에 덴드라이트가 성장할 틈을 안준다. (그림=GIST)" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202602/09/ZDNetKorea/20260209094925745whsa.jpg" data-org-width="629" dmcf-mid="YjiYmT0Hcs" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202602/09/ZDNetKorea/20260209094925745whsa.jpg" width="658">
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 그림 위는 실시간 광학현미경으로 관찰한 실시간 리튬 전착 거동 분석도. 기존 구리는 120분뒤 덴드라이트가 많이 쌓여있지만, SCN은 120분 뒤 덴드라이트 형성이 안보인다. 아래 그림은 구리표면과 SCN 계면 모식도 비교. 높은 이온 전도도가 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 원리를 나타냈다.이온이 빠르게 전극으로 이동하기 때문에 덴드라이트가 성장할 틈을 안준다. (그림=GIST)
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 광주과학기술원(GIST)은 차세대에너지연구소(소장 엄광섭 신소재공학과 교수) 연구팀이 짧은 전기 신호를 반복적으로 가해 전극 표면을 정밀하게 다듬는 방식(전기화학적 펄스 증착 공정)으로, 리튬금속전지 음극에서 리튬 이동과 안정성을 결정하는 표면(계면)을 단 2분 만에 형성하는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.
 이 기술 개발을 주도한 이창현 박사과정생(제1저자)은 "배터리 음극에서 전류를 전달하는 구리 표면에 주석(Sn) 극소량(0.19 원자%)을 머리카락보다 가는 나노와이어 전구체(SCN)에 넣어 나타나는 효과를 관찰한 것"이라며 "리튬 금속이 한쪽으로 뭉치지 않고 고르게 쌓일 수 있는 안정적인 계면을 빠르고 간단한 공정으로 구현할 수 있음을 입증했다"고 말했다.
 이창현 박사과정생은 "리튬이온 속도가 빨라 이동 과정에서 한 눈 팔 틈도 없이 목적지(음극)로 바로 들어간다"며 "논문에서는 덴드라이트 '프리'라는 표현을 썼다. 이는 덴드라이트가 발생하지 않는 것을 말하는 것"이라고 설명했다.
 상용화와 관련해서는 "현재 특허 출원을 준비중"이라고 조심스럽게 언급했다.
 GIST 기술사업화센터 측은 공정 자체가 단순해 상용화 가능성을 염두에 둔 기술이전 등을 들여다보고 있다.
 연구팀은 실험결과, 리튬 이온 이동 속도가 기존 구리 계면보다 약 24배 빨라 리튬금속전지에서 오래된 문제로 꼽혀 온 리튬이 고르게 쌓이지 않는 현상과 덴드라이트 성장이 아예 이루어지지 않았다고 설명했다.
 연구팀은 이 구조(나노와이어 계면)를 적용한 배터리는 900시간 이상 안정적으로 작동했고, 리튬인산철(LFP) 양극을 적용한 실제 배터리 시험에서도 약 1시간 이내에 충·방전이 이뤄지는 고속 조건(1.0C)에서 480회 사용 후에도 초기 용량의 98.2%를 유지했다고 부연 설명했다.
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 <img alt="GIST 엄광섭 신소재공학과 RY수(왼쪽)와 이창현 박사과정생이 실험 결과를 분석 중이다.(사진=GIST)" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202602/09/ZDNetKorea/20260209094927003bjrl.jpg" data-org-width="639" dmcf-mid="ftCKtqx2aQ" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202602/09/ZDNetKorea/20260209094927003bjrl.jpg" width="658">
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 GIST 엄광섭 신소재공학과 RY수(왼쪽)와 이창현 박사과정생이 실험 결과를 분석 중이다.(사진=GIST)
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 엄광섭 교수(교신저자)는 “이번 연구는 리튬금속전지 상용화의 가장 큰 난제로 꼽혀 온 덴드라이트 형성 문제를 리튬 음극 전기화학적 계면 설계만으로 효과적으로 해결할 수 있음을 입증했다는 점에서 의미가 크다”며, “2분 이내에 구현 가능한 간단한 공정으로도 고속 충전과 긴 수명 을 동시에 확보할 수 있어, 기존 배터리 제조 공정에 바로 적용할 수 있는 실용적 기술”이라고 말했다.
 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업 지원을 받았다. 연구 결과는 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈'에 온라인으로 게재됐다.
 박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)
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