습기에도 안정적인 보호막으로 드라이룸 공정 없이 대기 중 제조 가능한 리튬 금속 음극 기술

[연구필요성]

전기차 주행거리와 배터리 용량을 획기적으로 늘릴 수 있는 차세대 음극 소재로 리튬 금속이 주목받고 있다. 그러나 리튬 금속은 공기 중 수분과 즉각 반응하는 특성으로 인해 현재 배터리 제조 공정은 초저습 환경을 유지하는 드라이룸에 크게 의존하고 있다. 이러한 드라이룸은 막대한 설비 투자와 운영 비용을 요구하며 배터리 제조 공정 전체 에너지 소비의 상당 부분을 차지하는 구조적 한계로 작용하고 있다.

그동안 리튬 금속 배터리 연구는 주로 전지 내부에서의 수명과 안전성 향상에 초점을 맞춰 왔다. 그러나 실제 산업 현장에서 중요한 ‘대기 중에서도 제조가 가능한가’라는 공정 관점의 문제는 충분히 해결되지 못했다. 이에 따라 성능 향상과 더불어 제조 비용, 에너지 소모, 탄소 배출을 동시에 줄일 수 있는 근본적인 기술 전환이 요구되고 있다. 본 연구는 이러한 배경에서, 리튬 금속을 대기 환경에서도 안정적으로 보호할 수 있는 새로운 계면 설계 전략의 필요성에 주목하여 추진되었다.

[연구성과/기대효과]

본 연구에서는 수분에 강하면서도 리튬과의 친화성이 뛰어난 인공 고체 전해질 계면층(Artificial solid electrolyte interphase)을 분자 수준에서 설계 및 구현하였다. 개발된 인공 계면은 습기와 물을 효과적으로 차단해 리튬 금속의 부식을 억제하는 동시에 리튬 이온의 이동을 균일하게 유도해 불균일한 리튬 전착물인 덴드라이트 (Dendrite) 성장을 억제한다. 특히 본 연구팀에서는 습기 노출 과정에서 발생하는 가스 및 고체 부식 생성물을 크로마토그래피 및 분광학 기술을 통해 정량적으로 분석함으로써 보호 메커니즘을 실험적으로 명확히 규명하였다.

이를 통해 리튬 금속 음극은 대기 환경에 노출된 이후에도 안정적인 전기화학 성능과 장기 수명을 유지함을 확인하였다. 본 기술은 드라이룸 의존도를 낮출 수 있어 배터리 제조 공정의 에너지 소비와 비용을 동시에 절감할 수 있는 가능성을 제시한다. 또한 기존 배터리 생산 공정에 표면 코팅 형태로 적용할 수 있어 차세대 리튬 금속 배터리를 준비하는 산업계에 실질적인 공정 혁신 솔루션을 제공할 수 있다.

종합적으로 본 연구는 리튬 금속 배터리의 성능 한계를 넘어 제조 환경 자체를 혁신할 수 있는 기반 기술을 제시하였으며, 고에너지, 저비용, 친환경 배터리 상용화를 앞당기는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

[본문]

서울대학교 사범대학 화학교육과 심지민 교수 연구팀은 공기 중 습기에 강하면서도 리튬 금속의 안정적인 작동을 가능하게 하는 인공 보호막 기술을 개발하여 드라이룸 없이도 제조 가능한 리튬 금속 배터리의 가능성을 제시했다.

이번 연구 성과는 2월 4일(수) 에너지 소재 분야 국제저명 학술지 〈Advanced Energy Materials〉 (재료과학 분야 상위 2.5%, 임팩트팩터: 26.0)에 게재되었다(https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202505981).

리튬 금속은 기존 흑연 음극 대비 월등히 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있어 전기차와 차세대 에너지저장장치의 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 공기 중 수분과 즉각 반응하는 특성으로 인해 현재 리튬 금속 배터리는 초저습 환경을 유지하는 드라이룸에서만 제조가 가능하다. 이러한 드라이룸은 막대한 설비 투자와 에너지 소모를 요구해 배터리 제조 비용과 탄소 배출의 주요 원인으로 지적되어 왔다.

그동안 리튬 금속 배터리 연구는 주로 전지 작동 중 수명과 안전성 향상에 집중돼 왔으나, 실제 산업 현장에서 중요한 “대기 중 제조 가능성”문제는 충분히 해결되지 못했다. 이에 심지민 교수 연구팀은 리튬 금속을 습기 환경에서도 안정적으로 보호하면서 성능을 유지할 수 있는 인공 고체 전해질 계면 개발에 착수하게 되었다.

연구팀이 개발한 인공 보호 계면은 한편으로는 수분을 효과적으로 차단해 리튬 금속의 부식을 억제하고, 다른 한편으로는 리튬 이온의 이동을 균일하게 유도해 덴드라이트 성장을 억제한다. 특히 습기 노출 시 발생하는 가스 및 고체 부식 생성물을 정량적으로 분석함으로써 보호 메커니즘을 실험적으로 명확히 규명한 점이 특징이다.

연구 결과, 해당 보호 계면이 적용된 리튬 금속 음극은 대기 환경에 노출된 이후에도 안정적인 전기화학 성능과 장기 수명을 유지하는 것으로 확인되었다. 이는 리튬 금속 배터리를 드라이룸 없이도 제조할 수 있는 가능성을 실증적으로 보여준 결과이다.

이번 연구는 배터리 제조 공정의 에너지 소비와 비용을 동시에 절감할 수 있는 기술적 기반을 제시했다는 점에서 산업적 의미가 크다. 특히 기존 배터리 공정에 표면 코팅 형태로 적용할 수 있어 리튬 금속 배터리 상용화를 준비하는 관련 기업들의 관심이 기대된다.

2025년 서울대학교 창의선도 신진연구자로 선정되기도 한 연구책임자 심지민 교수는 “리튬 금속 배터리는 성능 잠재력에도 불구하고 제조 환경이라는 현실적 한계로 상용화에 어려움이 컸다”며 “이번 연구는 성능 개선을 넘어 대기 중에서도 제조 가능한 리튬 금속 배터리라는 새로운 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 밝혔다.

이번 연구를 주도적으로 수행한 제1저자 정영훈 학생은 석사과정 중 해당 연구 성과를 국제저명 학술지에 게재하는 쾌거를 달성했다. 정영훈 학생은 “리튬 금속 배터리의 제조 비용과 에너지 문제를 해결하는 데 제 연구가 조금이나마 이바지할 수 있어 매우 보람찼다”며 “실제 산업과 사회에 기여할 수 있는 연구를 수행했다는 점에서 큰 동기부여가 되었다”고 소회를 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 우수신진연구 및 소재글로벌영커넥트사업의 지원으로 수행되었다.

[연구결과]

Moisture-Tolerant, Lithiophilic Artificial Solid Electrolyte Interphase Enables Ambient-Processable Lithium Metal Anodes


Yeong Hun Jeong, Sungjun Kwak, Dae Hong Jeong, Jimin Shim

(Advanced Energy Materials, 2026, https://doi.org/10.1002/aenm.202505981)

본 연구에서는 습기에 강하면서도 리튬 이온 이동을 원활하게 하는 인공 고체 전해질 계면층을 개발하였다. 해당 보호 계면은 공기 중 수분을 효과적으로 차단해 리튬 금속의 부식을 억제하는 동시에, 리튬 이온이 균일하게 이동하도록 유도해 배터리 수명과 안정성을 향상시킨다. 특히 습기 노출 시 발생하는 부식 반응을 정량적으로 분석함으로써 보호 원리를 명확히 규명하였다. 이를 통해 리튬 금속 배터리를 드라이룸 없이도 제조할 수 있는 가능성을 제시하였으며, 배터리 제조 비용과 에너지 소비를 크게 줄일 수 있는 기반 기술을 확보하였다.

[그림설명]

본 그림은 습기에 취약한 기존 리튬 금속과 달리, 인공 보호막이 적용된 리튬 금속은 수분을 차단하면서 리튬 이온의 균일한 이동을 유도함을 보여준다. 이를 통해 초저습 드라이룸 없이도 대기 환경에서 리튬 금속 배터리 제조가 가능함을 개념적으로 나타낸다.