차세대 이차전지의 후보로 꼽히는 ‘리튬금속전지’의 성능을 향상시킬 기술이 나왔다. 새 기술이 적용된 배터리의 충·방전 과정을 실시간으로 관찰해 성능이 향상된 원리까지도 파악했다.
이현욱 에너지 및 화학공학부 교수팀은 싱가포르 A 스타 연구소(A*Star)와 공동으로 리튬금속전지의 수명과 안정성을 향상시키는 연구를 진행해 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 7월 6일자로 발표했다.
리튬금속전지는 리튬을 활용한 이차전지의 일종으로, 음극 물질에 리튬금속을 활용한다. 리튬금속은 음극 물질 중에서 구동 전압이 가장 낮고, 현재 리튬이온전지에서 사용하고 있는 음극 물질인 흑연에 비해 용량이 10배 정도 높다. 따라서 전기차나 대형 에너지저장장치 등에 사용하기 좋은 차세대 음극 물질로 주목 받고 있다.
그러나 리튬금속을 음극 물질로 사용할 경우, 충전과 방전 시 전극에 나뭇가지 모양으로 결정(수지상 결정)이 생겨 전지의 성능이 낮아지는 문제가 있었다. 리튬금속 표면에 생겨난 결정은 분리막을 뚫고 전지를 단락시키기 때문이다.
연구팀은 리튬금속 표면에 실리콘을 코팅해 수지상 결정이 성장하지 않도록 제어했다. 그 결과 전지의 성능이 개선되고 수명도 더 길어졌다.
▲ 왼쪽은 일반적인 리튬금속, 오른쪽은 실리콘을 코팅한 리튬금속의 모습. 실리콘을 코팅한 리튬금속은 시간이 지나도 수지상 결정이 생기지 않고, 부피가 팽창하는 모습도 안정적이다.
특히 배터리가 구동할 때 나타나는 반응을 실시간으로 관찰했다. 이를 통해 리튬금속 전극의 성능이 개선되는 원리를 시각적으로 입증한 것이다. 일반 리튬금속 음극은 수지상 결정이 분리막을 뚫고 전지를 단락시켰지만, 실리콘이 코팅된 리튬금속 음극은 수지상 결정이 없어서 충전이 고르게 일어나고 부피팽창된 모양도 안정적이었다.
이현욱 교수는 “이번 연구는 리튬금속 음극 물질의 거동, 부피팽창 및 수지상 형성 현상을 이해하고 그 해결점을 제시한 것”이라며, “이렇게 직접 관찰한 결과를 실제 전지에 적용해, 리튬금속전지 상용화에 기여할 수 있다”고 연구의 의의를 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(신진연구)의 지원으로 수행됐다.
