차세대 이차전지 후보로 꼽히는 리튬메탈 전지 내구성을 기존보다 3배 높인 음극재 소재가 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST)은 전북분원 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 이성호 센터장 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 엄광섭 교수팀과 함께 탄소섬유 페이퍼를 음극 소재로 사용해 리튬메탈 전지 내구성을 높이는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
리튬메탈 전지는 리튬이온 전지의 음극 소재인 흑연을 리튬메탈로 대체한 전지다. 이론적으로 리튬이온 전지보다 10배 높은 용량을 만들 수 있다. 하지만 충·방전 중 리튬 표면에 돌기 모양으로 자라나는 '결정 돌기'가 생겨나며 분리막을 찢는 현상 때문에 내구성과 안전성 문제로 상용화에 어려움을 겪었다.
연구팀은 리튬메탈 전지의 음극 소재로 쓰이는 리튬메탈 코팅 구리 박막을 리튬메탈을 함유한 얇은 탄소섬유 페이퍼로 대체했다. 여기에 탄소섬유 위를 무기 나노입자로 표면 처리해 리튬이 잘 달라붙으면서도 결정이 뾰족하게 자라나지 않도록 했다.
그 결과 구리 박막은 약 100회 충·방전을 거치면 분리막에 문제가 생기는 단락이 일어났지만, 새로 개발한 탄소섬유 페이퍼는 300회 이상에서도 안정적인 성능을 유지했다. 리튬메탈 전지 에너지 밀도도 구리 박막 대비 1.8배 높였다고 연구팀은 설명했다.
이성호 센터장은 "이 음극재는 구리 대비 탄소섬유의 밀도가 5배 낮고 가격도 저렴하다"며 "내구성이 높고 경량화된 리튬메탈 전지 상용화를 앞당길 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스' 1월호에 실렸다.
헬로티 이창현 기자 |
