리튬금속전지 수명 늘리는 전극 설계 기술 개발
표면활성 구배형 전극 설계로 전지 수명 문제 해결 기대
□ 전기자동차나 정보저장장치의 배터리로 쓰이는 리튬이온전지의 음극소재인 흑연의 용량한계를 극복할 돌파구가 나왔다.
○ 흑연 대신 에너지 밀도가 10배 이상 높은 리튬을 음극소재로 쓰려는 노력이 계속되는 가운데 국내 연구팀이 리튬 음극소재의 약점인 내구성을 높일 방법을 찾아냈다.
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 이종원 교수(대구경북과학기술원), 박민식 교수(경희대학교), 김정호 교수(호주 울런공대학교) 공동 연구팀이 차세대 리튬금속전지의 수명을 향상시킬 3차원 리튬저장체 설계 기술을 개발했다고 밝혔다.
□ 리튬금속전극은 높은 이론용량(3,860 mAh/g)에도 불구하고 충·방전 과정에서 지속적으로 전극 주변에 나뭇가지 모양의 리튬결정※이 형성되면서 극심한 부피변화가 발생, 결국 전극의 성능저하로 이어지는 것이 문제였다.
※ 리튬 수지상(lithium dendrite) : 리튬의 불균일한 증착/탈리 과정에 의해 형성되는 나뭇가지 모양의 리튬 결정
□ 때문에 넓은 표면적의 다공성 구조체(기공 크기 : 수십 나노미터~수십 마이크로미터)에 리튬을 저장하는 방식으로 부피변화를 방지하려는 연구가 이어져 왔다.
○ 하지만 리튬이 의도한 기공 내부가 아닌 구조체 표면에 불균일하게 증착되는 것이 문제였다.
□ 이에 연구팀은 전기화학 시뮬레이션을 통해 3차원 구조체에서의 가역적인 리튬저장 기작을 찾아내고, 충·방전 수명 특성을 향상시킬 수 있는 표면활성 구배※형 전극설계 기술을 제시하였다.
※ 표면활성 구배(interfacial activity gradient) : 전극표면에서 두께방향으로 갈수록 리튬 ‘이온’이 환원되어 리튬 ‘금속’으로 증착되는 정도인 표면활성이 증가하도록 한 것
○ 전극표면부터 내부로 들어갈수록 리튬이온이 리튬금속으로 환원 되는 성질, 즉 표면활성이 더 높아지도록 함으로써 선택적인 리튬금속의 증착을 유도, 리튬이 전극 하부부터 균일하게 저장될 수 있도록 한 것이다.
○ 그 결과 반복적인 충·방전 시에도 리튬 수지상 형성 및 부피 변화가 발생하지 않아, 장기간 안정적인 성능이 유지되는 것을 실험적으로 검증하였다.
□ 연구팀에서 제시한 소재 및 전극 디자인 개념은 기존 리튬이온전지 대비 높은 에너지밀도와 우수한 수명 특성을 갖는 고효율 리튬금속전지를 구현에 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응 기술개발사업과 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 9월 1일 온라인 게재되었다.
