[기계신문] 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.
최근 대구경북과학기술원(DGIST) 이종원 교수, 경희대학교 박민식 교수, 호주 울런공대학교(University of Wollongong) 김정호 교수 공동 연구팀이 차세대 리튬금속전지의 수명을 향상시킬 3차원 리튬저장체 설계 기술을 개발했다.
현재 리튬이온전지의 음극소재로 흑연이 사용되나, 전기자동차 및 에너지저장시스템 산업의 발전으로 더 높은 에너지밀도의 이차전지를 개발하기 위해 흑연 대비 10배 이상의 이론 용량을 갖는 리튬 금속 음극소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
하지만 리튬금속전극은 충·방전 중 지속적으로 리튬 수지상이 형성되고 극심한 부피 변화가 발생하여 전지성능이 저하될 수 있다. 이때 리튬 수지상(lithium dendrite)은 리튬의 불균일한 증착·탈리 과정에 의해 형성되는 나뭇가지 모양의 리튬 결정이다.
이를 해결하기 위해 넓은 표면적을 지니고 큰 부피의 기공을 갖는 3차원 구조체 내부에 리튬을 저장하는 기술이 많은 관심을 받고 있다. 하지만 충전 시, 리튬이 구조체 내부에 저장되지 못하고 표면에 불균일하게 증착되는 문제가 발생하여 교체주기가 짧다.
따라서 리튬금속전지의 수명을 향상시키기 위해 3차원 구조체에서의 리튬저장 반응을 이해하고, 구조체 내부에 리튬을 균일하게 저장할 수 있는 새로운 소재 및 전극 설계 기술이 필요하다.
연구팀은 전기화학 시뮬레이션을 통해 3차원 구조체에서의 가역적인 리튬저장 메커니즘을 찾아내고, 구조체의 표면활성이 리튬저장 거동에 중요한 역할을 한다는 사실을 규명하였다.
시뮬레이션 결과를 활용하여 3차원 구조체 표면에서의 불균일한 리튬 증착을 효과적으로 억제하고, 구조체 내부에 균일하게 리튬을 저장할 수 있는 새로운 표면활성 구배형 리튬금속 전극 개념을 확립하였다.
표면활성 구배(interfacial activity gradient)란 전극표면에서 두께방향으로 갈수록 리튬 ‘이온’이 환원되어 리튬 ‘금속’으로 증착되는 정도인 표면활성이 증가하도록 한 것이다.
3차원 구조체의 표면활성 구배 설계 기술을 적용하면 리튬저장 반응이 전극 하부부터 균일하게 진행되고, 반복적인 충·방전 시에도 리튬 수지상 형성 및 부피변화가 발생하지 않아, 안정적인 수명 특성이 유지되는 것을 실험적으로 검증하였다.
대구경북과학기술원 이종원 교수는 “이번 연구에서 확립된 소재 및 전극 디자인 개념을 적용하여 3차원 구조체 기반 리튬금속 전극을 개발하면, 기존 리튬이온전지 대비 높은 에너지 밀도와 우수한 수명을 갖는 고효율 리튬금속전지를 구현할 수 있다”고 밝혔다.
이번 연구는 전기화학 시뮬레이션 해석을 통한 소재 설계와 실험적 구현 및 전기화학적 성능 검증을 기반으로 3차원 구조체 전극 설계에 대한 가이드라인을 제시한 데 의의가 있다.
개발된 표면활성 구배 개념을 활용하는 경우, 충·방전 시 발생하는 리튬 수지상의 형성 및 부피 변화를 억제하여 수명을 향상시킬 수 있기 때문에 차세대 리튬금속 기반 음극 소재로서의 가능성이 높다.
리튬금속전지의 상용화에 기반이 될 수 있는 선행연구가 될 것으로 기대되며, 향후 리튬금속전지가 핵심부품으로 사용될 전기자동차, 에너지저장시스템 등 다양한 분야의 산업에 기여할 것으로 예상된다.
한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응 기술개발사업과 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 9월 1일 온라인 게재되었다.
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