[첨단 헬로티]
드론·자율주행차·무인잠수정 등 무인이동체 산업에 응용 기대
한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 조원일 박사팀에서 현재 스마트폰이나 노트북에 쓰이는 리튬이온전지의 에너지밀도를 2배 이상 상회하고, 1,200회 이상 충·방전해도 초기 대비 80% 이상의 성능이 유지되는 리튬금속-이온전지를 개발하였다.
▲ LBS 코팅 기술을 이용한 Langmuir-Blodgett Artificial
Solid-Electrolyte Interphase(LBASEI) 제조와 리튬이
LBASEI를 통해 안정하게 도금되는 개념도
이번 연구는 리튬금속 표면에 인조 보호막을 덧입혀 전지의 성능과 안정성을 높인 것으로, 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy), IF(46.859)’ 9월 25일자 온라인판에 게재되었다.
리튬금속-이온전지는 리튬이온전지의 흑연 음극을 리튬금속으로 대체한 전지로, 리튬이온전지보다 이론상 에너지용량이 10배 이상 커서 차세대 전지시스템으로 주목받고 있는 기술이지만, 리튬금속의 높은 반응성 때문에 금속표면에서 덴드라이트(dendrite)가 생성되면서 전지의 폭발을 유발하거나 수명을 단축시키는 문제가 있었다.
덴드라이트란, 금속 표면 어느 한 부분에 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정으로, 전극의 부피팽창과 전극과 전해질 사이의 부반응을 유발하여 위험을 초래한다.
연구팀은 이러한 덴드라이트 현상을 억제하기 위하여 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사함으로써 ‘랭뮤어-블라젯 인조 고체-전해질 계면상’이라 부르는 인조 보호막과, 양자역학 계산을 활용하여 최적의 전해질 배합도 개발했다.
▲ 기존 제품과 새롭게 개발된 제품 비교
이러한 인조 보호막과 전해질 배합을 통해 1,200회 이상 충·방전을 하더라도 초기 성능 대비 80%를 유지하고, 상용화된 리튬이온전지 수준으로 리튬금속의 양을 줄여도 200회 이상 충·방전이 가능하다는 것을 확인했다.
이번 연구로 리튬이온전지가 지닌 에너지 저장능력의 한계를 넘어서는 고용량·장수명 전지의 제조가 가능해졌으며, 리튬금속-이온전지을 포함한 리튬-황전지, 리튬-공기전지 등 차세대 전지산업에 큰 기회를 가져올 것으로 기대된다. 이번 연구 성과의 핵심은 ASEI 설계·제조와 전해액 배합을 전지 시스템에 적용하고, 리튬의 핵생성 과전압 측정과 계산과학에 의해 리튬 덴드라이트와 SEI의 형성에 대한 상호작용을 설명할 수 있다는 것과 이를 바탕으로 장수명·고용량의 리튬금속이온전지를 제조할 수 있다는 것이다.
특히, 리튬금속음극은 비단 리튬금속이온전지 뿐만 아니라 리튬-황 전지, 리튬-공기전지, 리튬-전고체전지 등의 차세대 전지에 공통으로 쓰일 수 있기 때문에, 리튬이온전지를 능가하는 차세대전지 시스템의 설계·제조에 널리 활용될 수 있다. 궁극적으로 이차전지의 성능을 높일 수 있을 것으로 기대해볼 수 있다.
