국내 연구진이 전기차나 에너지저장장치(ESS)에 활용될 수 있는 리튬금속전지의 출력과 안정성을 높이는 방법을 개발했다. 리튬이온전지보다 저장용량이 커 차세대 전지로 여겨지는 리튬금속전지 상용화를 앞당길 전망이다.
한국전기연구원은 김병곤 차세대전지연구센터 선임연구원팀이 금 나노입자와 기공을 이용해 기존 리튬금속전지의 부작용을 해결할 방법을 개발하고 연구결과를 국제학술지 '미국화학회(ACS) 나노' 8월호 표지논문으로 게재했다고 29일 밝혔다.
기존 리튬이온전지가 흑연 음극에 리튬 이온을 탈·삽입해 에너지를 내는 구조라면, 리튬금속전지는 부피가 크고 무거운 흑연 대신 리튬금속 자체를 음극으로 사용한다. 리튬금속 음극은 흑연 음극보다 이론상 저장용량이 10배 이상 높아 전기차나 에너지저장장치(ESS) 등에 대용량 전지로 활용될 수 있다.
하지만 리튬금속전지는 충·방전 시 리튬금속을 중공 코어에 효과적으로 저장하지 못해 리튬이 나뭇가지 모양으로 자라는 '수지상 결정(dendrite)' 현상이 생기는 문제가 있었다. 중공 코어는 마치 빨대와 같은 구조로 내부에 리튬을 저장하기 위한 공간이다. 리튬이 중공 코어에 얼마나 효율적으로 저장되는지가 전지의 성능과 직결된다. 만약 수지상 결정이 생기면 전지의 부피가 점차 커지며 전지의 수명 저하를 유발하고 화재·폭발 사고로도 이어질 수 있다.
김 선임연구원팀은 중공 코어 부분에 리튬 친화성 물질인 금 나노입자를 첨가했다. 금은 리튬과 우선적으로 반응해 리튬이 코어 내부에 저장될 수 있도록 성장 방향을 제어할 수 있다. 또 쉘 부분에 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있도록 기공을 만들어 고속 충·방전 조건에서도 리튬이 쉘 표면에 부착되지 않고 통과하도록 했다.
연구팀은 문장혁 중앙대 교수팀과 협업을 통해 기술의 효과를 이론적으로 검증했다. 연구팀이 개발한 리튬금속전지의 성능 시뮬레이션 결과 고출력 조건에서도 리튬이 중공 코어 내부에서 정상적으로 전극면에 부착되는 것을 확인했다. 또 높은 전류밀도 조건에서 500회 이상 충·방전을 거쳐도 용량이 82.5%로 유지되는 등 배터리로서 성능도 우수했다.
김 선임연구원은 "리튬금속전지는 고용량이라는 장점에도 안정성 문제로 상용화까지 넘어야 할 산이 많다"며 "고속 충·방전 조건에서도 리튬 전·탈착 효율이 향상된 리튬 저장체를 대량으로 생산하는 기법을 개발했다"고 말했다.
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