신소재공학과

국제학술지 ‘Nano-Micro Letters’ 게재

‘귀금속 대신 값싼 이황화몰리브덴 활용’

값싼 2차원 소재를 이용, 차세대 전지인 무음극 전고체 전지의 수명을 7배 향상시키는 기술이 등장했다. 

우리 대학 박상백 교수 공동 연구팀은 한국화학연구원 안기석, 서동범 박사 연구팀과 금속-유기 화학 기상 증착법으로 성장시킨 이황화몰리브덴(MoS2)을 차세대 무음극 전고체 전지의 집전체에 적용, 수명을 크게 높이는 기술을 선보였다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘Nano-Micro Letters’에 게재됐다.

리튬 이차전지는 휴대폰·무선 가전제품 등의 배터리로 많이 활용된다. 충전될 때는 리튬 이온이 양극에서 음극 표면으로 이동해 달라붙는다. 그런데 급속·과충전, 음극 표면 불균일 등으로 인해 리튬이 특정 부위만 뾰족하게 자랄 수 있다. 만약 중간의 액체 전해질을 뚫고 반대편까지 자라면, 음극·양극이 직접 연결되는 단락(쇼트)과 열 폭주로 이어진다. 과전류 시 고온에 발화점 낮은 전해질이 불타며 꺼지지 않는 것이다.

이런 위험을 해결하기 위해 ‘전고체 전지’가 연구 중이다. 전고체 전지는 액체 전해질이 사용되는 리튬 이차전지와 달리, 인화성 액체 없이 ‘모두(全) 고체’로 구성된 이차전지를 뜻한다. 인화성이 없거나 적은 고체 전해질을 사용해 안전하며, 높은 에너지 밀도와 출력을 갖출 수 있고 겨울에도 성능이 유지되는 장점이 있다.

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, 수명은 7배 향상됐다.

박상백 교수 “저렴한 MoS2 소재를 활용해 기존 귀금속 기반 전고체 전지의 한계를 극복한 점에서 의미 있는 기술”이라고 말했다.

□ 논문 링크: https://doi.org/10.1007/s40820-025-01729-w