리튬 금속전지, 안전성·성능 높여 상용화
리튬 금속전지, 안전성·성능 높여 상용화
  • 이상진
  • 승인 2019.02.25 06:35
  • 조회수 1269
  • 댓글 0
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전기차의 가장 큰 과제는 배터리 성능인데요. 우리가 흔히 사용하는 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도가 10배 이상 높지만, 폭발의 우려 때문에 상용화할 수 없었던 리튬 금속 음극의 단점을 국내 연구팀이 해결해 주목을 모으고 있습니다.
 

전기차의 가장 큰 과제인 배터리 성능이 향상될 전망입니다. 출처: fotolia

박수진 포스텍 화학과 교수와 이정인 박사는 신명수, 홍동기 UNIST 에너지공학과 연구원과 함께 리튬 금속 음극의 단점인 폭발을 원천적으로 막을 리튬 전도성 유·무기 복합 보호층을 개발했습니다.

 

또 차세대 고용량 양극 물질을 사용해 고속 충전과 고출력이 가능한 리튬 금속 전지를 구현해냈습니다. 이 기술이 확장되면, 우수한 성능의 안전한 리튬 금속 전지 상용화가 앞당겨져 전기차나 휴대용 디스플레이 배터리로 활용될 전망입니다.

 

일반 리튬 이온 전지에는 음극체로 흑연이 들어가는데요. 흑연 대신 금속을 음극으로 사용하게 되면 질량 대비 10배, 부피대비 3배 이상 용량이 늘어나 작은 크기의 배터리로도 효율을 획기적으로 올릴 수 있게 됩니다. 

 

하지만 금속을 음극체로 쓰게 되면 리튬 반응성이 좋아져서 배터리 충전 시 리튬을 반대 방향으로 보내게 되는데, 보내진 리튬이 반대편에서 바늘처럼 뾰족뾰족하게 자라납니다. 이렇게 되면 날카로운 리튬이 분리막을 뚫어 셀이 폭파되거나 망가져 기능을 잃게 되는 현상이 일어나죠.

 

수지상 결정 근본 차단

 

연구팀은 이런 현상을 막기 위해 리튬 전도성 무기·유기 복합막을 개발해 충전과 방전을 계속하는 동안 바늘처럼 뾰족하게 리튬이 자라나는 현상인 수지상 결정을 근본적으로 차단했습니다. 

 

복합막이 리튬이 자라지 않고 빈 공간을 채우며 셀 안에만 머물도록 돕기 때문에 전지의 안정성이 확보되고 수명도 향상됐는데요. 연구팀은 다양한 차세대 고용량, 고전압 양극물질를 사용해 고속충전과 고출력이 가능한 리튬 금속 전지를 구현하는 데도 성공했죠.

 

이번에 개발된 복합막인 리튬 전도성 무기층은 기존에 사용해오던 카보네이트계 전해액에도 그대로 적용할 수 있어, 기존 시스템을 많이 바꾸지 않고도 사용할 수 있기 때문에 큰 비용 없이 상용화할 수 있습니다.
 

리튬 금속전지 안전성과 효율성 높인 연구자들. 출처:포스텍
리튬 금속전지 안전성과 효율성 높인 연구자들. 출처: 포스텍

박수진 교수는 "이번에 개발된 리튬 이온 전도성 무기·유기 복합막은 손쉽게 차세대 전지에 적용할 수 있는 기술로 리튬 금속 전지 상용화에 크게 기여할 것"이라며 기대감을 밝혔습니다.

 

한편, 이번 연구성과는 국제 학술지 ‘Advaned Energy Materials’지에 2월 14일에 게재됐습니다. 


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