^*이 보도자료는 한국연구재단 주관으로 제작 및 배포됐습니다.

[붙임] 주요내용 설명

1. 논문명, 저자정보

• 논문명: Lithium Silicide Surface Enrichment: A Solution to Lithium Metal Battery
• 주저자: 이현욱 교수(교신저자, 울산과학기술원), 웨이 탕(Wei Tang) 박사(제1저자, A*Star)

2. 연구의 필요성

○ 이차전지는 이제 노트북, 휴대폰과 같은 전자기기를 넘어서 전기 자동차를 비롯하여, 에너지 저장창고에도 응용 가능할 정도로 다양한 산업에 이용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 타 이차전지(납축전지, 니켈수소전지 등)보다 높은 전압, 용량, 안정된 수명의 장점으로 인해 많이 활용되고 있다. 또한 다양한 에너지 저장 수요에 대해 충족하는 성과를 거둔 전지 중 하나이다.

○ 전기자동차, 에너지 저장 창고와 같은 새로운 응용분야에 사용되기 위해서 고용량 전지 연구가 필요하다. 이러한 고용량 전지를 개발하기 위해서 기본적으로 고용량을 지니는 양극 및 음극활물질이 필요하다. 이에 고용량 양극활물질로 황 물질 연구를 세계적으로 진행하고 있고, 실리콘 혹은 리튬 메탈 음극활물질 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 리튬 메탈 음극활물질은 구동 전압이 음극으로써 가장 낮다라는 장점이 있어, 전지에 가장 이상적인 음극활물질로 알려져 있다. 또한 용량 역시 현재 상용화되고 있는 흑연 음극에 비해, 10배 가량 높다는 장점이 있어, 고용량 전지 개발 후보군으로 가장 알려져 있다. 그러나 리튬 메탈이 가지고 있는 기본적인 한계인 수지상 형성, 불안정한 SEI 층 형성, 낮은 쿨롱효율 등으로 인해 리튬 메탈 음극은 실제 전지에 이용되지 못했다.

○ 또한 전지의 충·방전시 일어나는 현상을 이해하기 위해 직접적인 변화 관찰을 하려는 시도가 있었다. 이는 물질의 이해를 하는데 많은 기여를 하여, 새로운 물질을 개발할 때 유용하게 쓰이는 방법이다.

2. 연구 내용

○ 연구팀은 리튬 메탈 음극 표면에 실리콘을 기상증착하여, LixSi 층을 구성하였다. 일반적인 리튬 메탈 음극 표면은 전지의 충·방전시 리튬이 수지상으로 형성되어, 분리막을 뚫고 전지를 단락시키게 된다. 그러나 이 연구에서 제작한 LixSi가 코팅된 리튬 메탈의 경우는 LixSi 층이 고르게 충전되기 때문에, 수지상이 형성되지 않고, 전체적으로 고르게 충전 반응이 일어난다.

○ 특히 LixSi가 코팅된 층이 어떻게 부피팽창을 하는지 그 현상을 분석하기 위해 실시간 이미징 분석법을 이용하였다. 전지가 구동되는 시점에서 동시에 리튬 메탈 음극이 어떻게 충전되고 어떻게 단락을 일으키는지에 대해 직접 관찰했다.

○ 이번 연구는 리튬 메탈 음극활물질의 거동에 대한 직접적인 이해와 부피팽창 및 수지상 형성 현상을 이해하고, 그 해결점을 제시했다는 점에서 흥미롭다. 또 이렇게 직접 관찰한 결과는 실제 전지에 적용할 수 있어, 리튬 메탈 음극활물질 상용화에 기여할 수 있다.

3. 연구성과/기대효과

○ 리튬이차전지는 타 전지 시스템에 비해 출력 특성이 우수하고, 에너지 밀도가 높으며 환경적으로도 비교적 안전하다는 점에서 많이 연구되고 있다. 그러나 저공해 하이브리드 자동차나 전기자동차에 응용하기 위해서는 높은 에너지 밀도가 요구된다. 따라서 리튬 메탈 음극활물질에 대한 연구가 새롭게 시작되었다. 이 연구는 리튬 이차전지 연구에 직면하고 있는 리튬 메탈 음극 상용화에 이바지 할 수 있는 도약 연구가 될 것으로 판단되며, 기존의 성능향상 목적의 리튬 메탈 음극 연구에 학문적으로 다가서는 의의가 있다.

[붙임] 그림 설명

[붙임] 연구 이야기

1. 연구를 시작한 계기나 배경은?

리튬이차전지 음극활물질에 대한 연구를 하다가 리튬금속 음극에 대한 관심을 갖게 되었다. 예전에 실리콘 음극 연구를 하다가, 리튬과 실리콘이 반응하는 것을 생각해서 그 특징을 적용하면 어떨까라는 계기로 시작하게 되었다.

2. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

리튬금속이 공기 중에 반응하는 샘플이라 어떻게 공기 중에 안정하게 테스트를 하는지 고민이었다. 다양한 아이디어가 나왔고, 그러한 아이디어를 통해 극복할 수 있었다.

3. 이번 성과, 무엇이 다른가?

고용량의 장점을 가지는 새로운 전극물질을 개발하는 점이 차이점이다. 특히 배터리가 구동될 때 그 내부를 직접적으로 관찰한다는 장점이 있어, 우리가 만든 물질이 어떻게 문제를 해결해주는지 직접 증명할 수 있다.

4. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

현재 이차전지 연구 분야에서 리튬 금속에 대한 관심은 굉장히 높다. 실용화를 위해서 산학연 많은 기관에서 집중적으로 연구하고 있다. 실용화를 위해 리튬금속의 안정성이 확보되는 게 중요하다고 할 수 있다.

5. 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

이차전지 내부를 관찰하는 연구에 집중하고 싶다. 실제 전지에서 일어나는 현상을 하나하나 규명하고자 한다.