- '내구성 3배 향상, 에너지 밀도 높고 가벼운' 리튬메탈 전지 구현
- 논문, SCI급 국제학술지 'Advanced Materials' 게재
[위즈뉴스] 전기자동차의 보급 확대로 이차전지 수요가 폭발적으로 증가함에 따라, 현재 가장 대중적으로 사용되고 있는 리튬이온 전지보다 용량이 크고 급속충전이 가능한 차세대 이차전지의 필요성이 커지고 있다.
그 가운데 리튬이온의 음극 소재인 흑연을 리튬메탈로 대체한 '리튬메탈 전지'는 이론적으로 리튬이온 전지보다 10배 높은 용량을 구현할 수 있다. 음극소재(anode material)란 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 전류를 흐르도록 하여 배터리의 충전속도와 수명에 중요한 역할을 한다.
그러나 충·방전 중에 리튬 표면에 결정 돌기가 생성되면서 분리막을 찢는 현상이 나타나기 때문에 내구성과 안전성 문제가 있어 상용화되지 못하고 있다.
이러한 가운데, 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 지난달 28일, 전북분원 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 이성호 센터장 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 엄광섭 교수 연구팀과 함께 탄소섬유 페이퍼를 음극소재로 사용하여 리튬메탈 전지의 내구성을 3배 이상 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구결과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제학술지 ‘어드벤스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Materials, IF=29.698)' 1월호에 게재됐다.
논문명은 'Construction of Hierarchical Surface on Carbon Fiber Paper for Lithium Metal Batteries with Superior Stability'이며, GIST 엄광섭 교수와 KIST 이성호 박사가 공동 교신저자로, KIST 이윤기 연구원이 제1저자로 참여했다.
"리튬메탈 전지 상용화 앞당길 것"
연구를 주도한 KIST 이성호 센터장은 “구리 대비 탄소섬유의 밀도가 5배 낮고 가격도 저렴한 점을 고려할 때, 연구팀이 제안한 음극재는 내구성이 높고 경량화된 리튬메탈 전지 상용화를 앞당길 수 있는 중요한 성과”라고 연구의 의의를 말했다.
공동연구팀은 리튬메탈 전지의 음극 소재로 쓰이는 리튬메탈을 코팅한 구리 박막을 리튬메탈이 함유된 얇은 탄소섬유 페이퍼로 대체했다. 개발된 탄소섬유 페이퍼는 탄소 단섬유 위에 무기 나노입자인 비결정질 탄소와 탄산나트륨으로 표면처리를 하여 리튬 친화적인 특성을 가지는 동시에 리튬 수지상 결정이 뾰족하게 성장하지 못하도록 하였다.
공동연구팀은 개발한 탄소섬유 페이퍼 음극소재를 사용한 결과 구리 박막보다 3배 이상 높은 내구성을 갖는 리튬메탈 전지를 제조할 수 있었다. 구리 박막은 약 100회의 충·방전 사이클 이후에서 단락(합선)이 일어났지만, 새로 개발한 탄소섬유 페이퍼는 300 사이클 이상에서도 안정적인 성능을 보였다.
[그림설명] 고분자의 탄화를 통해 비결정질 탄소와 무기나노입자의 형성으로 계층적 구조가 형성된 탄소섬유 표면에 리튬 수지상 돌기를 억제하는 효과를 제시한 모식도와 녹은 리튬이 빠른 시간에 탄소섬유페이퍼에 흡수되는 사진.
또한 구리 박막을 사용하는 리튬메탈 전지의 에너지 밀도를 240 Wh/kg에서 428 Wh/kg으로 약 1.8배 증가시킬 수 있었다. 더 나아가 녹은 리튬이 탄소섬유 페이퍼에 빠른 시간 내에 흡수되는 특성을 보이기 때문에 전극 제조공정을 단순화시킬 수 있을 것으로 예상된다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업으로 수행됐다.
