국내 연구진이 12분만에 완충이 가능한 리튬금속전지를 개발했다. 이 차세대 배터리가 상용화될 경우 리튬이온전지에 비해 에너지 저장밀도는 2배 향상돼 전기차 주행거리가 2배 이상 늘어날 수 있게 된다.
광주과학기술원(GIST) 차세대에너지연구소 엄광섭 소장 연구팀은 전기가 통하는 고분자를 표면에 입힌 3차원 구조체를 활용해 리튬금속전지의 충전 속도와 안정성을 향상시키는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.
리튬이온전지(Lithium-ion battery, LIB)는 리튬금속 대신 흑연과 같은 탄소계 물질을 음극으로 사용하고, 충·방전 과정에서 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하며 에너지를 저장·방출하는 상용 배터리 기술이다. 비교적 높은 에너지 밀도와 안정성, 긴 수명을 갖춰 현재 전기자동차, 스마트폰, 노트북, 에너지저장장치(ESS) 등에 가장 널리 사용되고 있다. 하지만 리튬이온전지는 음극 소재인 흑연이 저장할 수 있는 리튬이온의 양이 거의 한계에 도달해, 성능을 획기적으로 높이는 데 어려움이 있다.
이에 비해 차세대 배터리로 주목받는 리튬금속전지는 리튬이온전지보다 이론적으로 약 2배 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 하지만 충·방전 과정에서 리튬이 음극 표면에 고르게 쌓이지 않고 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라는 '리튬 수지상 결정'(덴드라이트)이 발생할 수 있다는 문제가 있다. 이런 수지상 결정은 배터리 내부의 분리막을 뚫어 양극과 음극이 직접 닿아 전기가 한꺼번에 흐르는 '단락' 현상을 유발할 수 있으며, 동시에 부피 팽창을 일으켜 배터리의 수명과 안전성을 크게 저하시킨다.
연구팀은 리튬이 쌓이는 위치와 방식이 배터리 성능을 좌우한다는 점에 주목해, 리튬이 구조체 내부에서부터 균일하게 쌓이도록 유도하는 3차원 구조체(SP-PPy@pPVDF)를 설계했다. 가볍고 내구성이 뛰어난 고분자 소재인 '폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)'로 내부에 빈 공간이 많은 구조를 만들고, 여기에 전기가 일부만 통하는 고분자 '폴리피롤(Polypyrrole)'을 코팅했다. 특히 구조체의 표면은 전기가 통하지 않도록 설계해, 리튬이 표면이 아닌 내부에서부터 차곡차곡 쌓이도록 유도했다.
폴리피롤(Polypyrrole)은 전기가 일부만 통하는 고분자 소재로, 리튬이 충·방전 과정에서 한쪽으로 몰리지 않고 고르게 쌓이도록 돕는다. 이로 인해 배터리 내부 반응이 안정적으로 유지되며, 안전성과 수명이 함께 향상된다. 특히 리튬이 잘 달라붙는 환경을 만들어 초고속 충전 조건에서도 리튬 수지상 결정의 성장을 효과적으로 억제하는 기능성 물질이다.
이런 구조는 전류 흐름을 조절해 리튬이 아래쪽부터 '바텀업(bottom-up)' 방식으로 차곡차곡 쌓이도록 유도해, 덴드라이트 형성과 부피 팽창을 동시에 억제한다. 그 결과, 기존 리튬이온전지보다 에너지 저장 밀도를 2배 이상 높이고, 부피 팽창 문제도 크게 개선했다. 또 충전속도를 크게 단축해 약 12분만에 완전 충전이 가능한 초고속 충전 성능을 구현했다.
기존의 구리 집전체 기반 리튬 음극이나 일반적인 다공성 구조체는 약 80회 충·방전 이후 성능이 급격히 저하되는 반면, 연구팀이 설계한 구조는 200회 이상 반복 사용 후에도 초기 용량의 94.7%를 유지했다. 충·방전 과정에서 발생하는 부피 팽창도 관찰되지 않아, 고속충전 환경에서도 안정성을 입증했다.
또 이 기술은 간단한 용액 공정만으로 고분자 코팅과 표면 절연 처리를 동시에 구현할 수 있어, 대면적 생산에도 유리하다. 특히 전기자동차 배터리, 에너지저장장치(ESS), 항공 모빌리티용 배터리 등 다양한 분야에 적용될 수 있어 향후 상용화 가능성을 높였다는 점에서 의의가 있다.
엄광섭 교수는 "현재 사용되는 리튬이온전지 대비 2배 이상의 에너지 저장 밀도를 갖는 리튬금속전지가 상용화될 경우, 전기자동차와 항공 모빌리티의 주행거리를 2배 이상 늘리고 약 12분 수준의 초고속 충전이 가능한 기술로 발전할 것"으로 기대했다.
이번 연구결과는 재료과학 에너지 분야의 권위 있는 국제학술지 'Energy & Environmental Materials' 3월 29일자 온라인으로 게재됐다.
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