음극용 리튬 금속을 효과적으로 저장해 안전성 및 성능 향상
우리에게 익숙한 기존 리튬이온전지는 흑연으로 이루어진 음극에 리튬 이온을 탈·삽입해 에너지를 내는 구조로, 스마트폰과 노트북 등 전자기기의 전력원으로 널리 사용되어 왔지만, 흑연 자체의 무게와 부피로 인해 높은 저장 에너지를 확보하는 데에 큰 한계를 가지고 있었다.
이를 대체하는 ‘리튬금속전지’는 리튬금속 자체를 음극으로 사용하는 전지다. 리튬금속 음극은 기존 흑연(372mAh/g) 음극과 비교해 이론상 저장용량이 10배 이상(3,860mAh/g) 높아 전기차 등 대용량 전지가 필요한 분야에서 큰 관심을 받고 있다.
하지만 리튬금속 역시 충·방전을 거듭할수록 나뭇가지 모양의 수지상 결정(dendrite)이 형성돼 부피가 커지고, 전지의 수명 저하와 화재·폭발 등의 위험성으로 이어진다는 치명적인 문제를 가졌다.
이에 많은 연구자들이 리튬을 특수한 구조체에 저장하는 방식으로 수지상 결정을 막으려는 노력을 기울였지만 효율성이 떨어졌고, 대량생산 관점에서도 어려움을 겪고 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 KERI 김병곤 박사는 리튬 친화성 물질인 ‘금’ 나노 입자가 내부에 소량(무게 비 1%) 포함된 ‘코어-쉘(Core-Shell)’ 구조의 ‘탄소 나노 파이버’를 제작했고, 코어 내부에 리튬을 선택적으로 저장함으로써 리튬 전·탈착(electro-deposition·dissolution) 효율을 향상시키는 방식을 활용했다.
금 나노 입자는 리튬 친화성 특성으로 인해 구조체 내부에서 리튬이 전·탈착되도록 도와주고, 구조체 외부에 수지상 결정이 성장하는 것도 억제해줬다.
특히 어려운 합성 과정을 통한 소량 생산으로 이어지는 결과가 아니라 ‘전계방사법(electrospinning)’이라는 합성법을 통해 대량 생산이 가능하다는 측면에서 실용성이 더욱 크다.
이번 연구결과는 높은 기술 수준을 인정받아 저널인용지표(JCR) 상위 2.8% 국제학술지인 ‘케미컬엔지니어링저널(Chemical Engineering Journal)’에 논문이 게재됐다.
해당 기술은 향후 고용량 배터리가 필요한 전기차나 드론, 전력저장장치(ESS) 등 분야에 적용될 수 있을 것으로 보고 있으며, 최근 출시되는 전자기기들도 현재 시스템보다 훨씬 더 높은 에너지(전력)를 필요로 하기 때문에 이러한 기기들의 사용시간을 획기적으로 늘려주고, 무게도 가볍게 해줄 것으로 기대하고 있다.
KERI 김병곤 박사는 “차세대 이차전지로 손꼽히는 리튬금속전지 상용화의 관건인 ‘고효율 리튬 저장체’를 대량으로 생산할 수 있는 기법을 개발했다는 측면에서 의의가 대단히 크다”며 “꾸준한 연구를 통해 현재의 개발품보다 더 향상된 성능을 보이는 리튬 저장체를 개발하겠다”고 전했다.
이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업(과제책임자: 이상민) 및 KERI 기본사업(과제책임자: 김병곤)으로 진행됐다.
한편 KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 전기전문 정부출연연구기관이다.
이혜림 부산/경남 기자 ilyo33@ilyo.co.kr