입력 2026.06.01 11:15
- 갈륨 기반 액체금속 활용, 배터리 내부 빈틈 스스로 메워… 300회 이상 안정 작동
충남대학교 신소재공학과 박상백 교수팀이 상온에서 흐르는 ‘액체금속’을 활용해 차세대 무음극 전고체전지의 수명을 획기적으로 향상시키는 계면 제어 기술을 개발했다.
이번 연구 성과는 에너지 저장 소재 분야의 세계적 권위 학술지인 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials, IF: 20.4)’ 5월호에 게재됐다. 이번 연구는 충남대 권지민 석사과정, 김도훈 석사가 제1저자, 박상백 교수가 교신저자로 참여했다.
현재 스마트폰과 전기차 등에 사용되는 리튬이차전지는 리튬 이온 이동을 위해 액체전해질을 사용한다. 그러나 액체전해질은 가연성 용매를 포함하고 있어 화재·폭발 위험성이 존재한다. 이를 해결하기 위한 대안으로 불연성 고체전해질을 사용하는 ‘전고체전지(All-solid-state battery)’가 차세대 배터리로 각광받고 있다.
특히, 최근에는 더 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 ‘무음극(Anode-free) 전고체전지’ 연구가 활발하다. 무음극 전고체전지는 기존 배터리와 달리 초기 음극 소재 없이 제작되며, 충전 과정에서 양극에서 이동한 리튬 이온이 음극 집전체 표면에 쌓여 스스로 음극층을 형성하는 방식으로 작동한다. 불필요한 음극 무게와 부피를 줄일 수 있어 더 가볍고 효율적인 배터리 구현이 가능하다.
하지만 무음극 전고체전지는 충·방전이 반복되면서 리튬층이 생성·소멸하는 과정에서 리튬이 특정 부위에만 집중적으로 쌓이는 문제가 있었다. 이로 인해 내부에 빈틈과 돌기가 발생하고, 고체전해질과의 접촉 불안정성이 커지면서 배터리 수명이 급격히 저하되는 한계가 있었다.
기존 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 은(Ag) 입자를 탄소 계면층에 도입하는 방식이 효과적인 대안으로 알려져 있었지만, 귀금속인 은의 높은 가격은 상용화의 큰 걸림돌이었다.
박상백 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 갈륨(Ga) 기반 액체금속에 주목했다. 액체금속은 전기가 잘 통하는 금속의 특성을 유지하면서도 액체처럼 자유롭게 형태를 바꿀 수 있어, 충·방전 과정에서 발생하는 미세한 틈을 따라 이동하며 끊어진 전기적 연결을 복구할 수 있다.
연구팀은 액체금속을 머리카락 굵기의 약 400분의 1 수준인 나노입자로 가공한 뒤, 리튬염(LiFSI) 기반 첨가제를 활용해 입자 표면에 얇은 보호막(Passivation layer)을 형성하는 기술을 개발했다. 이를 통해 내부는 흐르는 액체 상태를 유지하면서 외부는 안정적인 껍질로 감싸인 ‘액체금속@Ga(FSI)₃ 코어-쉘 나노입자’를 구현했다.
연구팀이 이 소재를 무음극 전고체전지의 탄소 계면층에 적용한 결과, 충전 과정에서 리튬이 전 표면에 걸쳐 균일하고 평평하게 형성되는 현상이 관찰됐다. 액체금속이 탄소 입자 사이의 빈 공간을 효과적으로 메우는 동시에, 리튬-갈륨 합금과 리튬플루오라이드(LiF) 보호층 형성을 유도해 안정적인 리튬 거동을 구현했다.
또, 연구팀은 실시간 광학 현미경 분석을 통해 리튬 형성 과정을 시각적으로 입증했으며, 실제 성능 평가에서도 우수한 결과를 확인했다. 액체금속 계면층을 적용한 무음극 전고체전지는 300회 이상의 충·방전 반복 실험 이후에도 성능 열화 없이 안정적으로 작동했다. 아울러 충전 시 이동한 리튬의 99.7% 이상이 방전 과정에서 회수돼 높은 효율성도 입증했다.
박상백 교수는 “기존에는 은(Ag) 입자가 리튬 도금을 안정화하는 대표적인 친리튬성 소재로 활용됐지만, 가격 부담으로 인해 대체 소재 개발이 절실했다”며, “이번 연구는 상온에서 흐르는 액체금속의 고유한 물리적 특성을 역발상으로 활용해 저비용 차세대 계면 소재 기술을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 ▲지역혁신선도연구센터 ▲차세대이차전지전문인력양성사업 ▲이공분야기초연구사업(우수신진연구), 교육부의 ▲학술연구혁신지원사업(글로컬R&D지원)의 지원을 받아 수행됐다.