스탠퍼드대, 리튬 금속 배터리 안전성과 에너지 밀도 높이는 신규 보호 코팅 개발

스탠퍼드 대학교 연구진이 고체 전해질 표면에 원자 두께의 은 코팅을 입혀 리튬 금속 배터리의 치명적인 결함인 미세 균열 성장을 억제하는 데 성공했습니다. 이 기술은 배터리 안전성과 에너지 밀도, 충전 속도를 획기적으로 개선할 것으로 기대됩니다.

액체 전해질 한계 넘어 고체 전해질로

기존 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하지만, 고체 전해질을 쓰면 더 안전하고 에너지 밀도가 높으며 급속 충전이 가능한 리튬 금속 배터리를 만들 수 있습니다. 하지만 고체 세라믹 전해질은 기계적 압력에 취약해 미세 균열이 생기고, 충전 과정에서 리튬이 균열 속으로 파고들어 덴드라이트를 형성하며 결국 배터리가 고장 나는 문제가 있었습니다.

은 이온 코팅으로 균열 강도 5배 향상

웬디 구(Wendy Gu) 기계공학과 부교수 연구팀은 3나노미터 두께의 은을 LLZO(리튬-란타넘-지르코늄 산화물) 고체 전해질 표면에 증착한 뒤 300°C로 가열했습니다. 이 과정에서 은 원자가 전해질 표면 20~50nm 깊이까지 확산하며 리튬 원자와 자리를 바꾸면서 양이온(Ag⁺) 상태로 남았습니다. 이 '용해된 은 이온'이 세라믹 격자를 강화해 파괴 인성을 5배 높였고, 기존 결함 부위에서도 리튬 침투를 막았습니다.

실용화 위한 다음 단계

연구팀은 전자현미경 내 특수 프로브로 압입 시험을 진행해 코팅된 전해질이 균열되기까지 약 5배 더 큰 압력이 필요함을 확인했습니다. 현재는 소형 시편이 아닌 완전한 리튬 금속 배터리에 이 코팅을 적용해 반복 급속 충전, 장기 사용 등 실제 조건에서 성능을 검증 중입니다. 또한 구리 등 저렴한 금속으로도 유사한 효과가 있음을 확인해 상용화 가능성을 높이고 있습니다.

자세한 내용은 Wendy Gu(wendygu@stanford.edu)에게 문의하세요.