현재 이차전를 대표하는건 리튬이온전지라고 할 수 있는데요. '리튬금속전지'는 리튬이온전지보다 이론상 에너지 밀도가 10배가량 더 높은 차세대 전지시스템으로 알려졌습니다. 하지만 리튬금속전지 상용화에서 물리화학적 불안정성이 최대 걸림돌로 꼽혔죠. 폭발의 위험이있었기 때문입니다. 

그런데 국내 연구진 덕분에 '리튬금속전지' 개발이 다시 급물살을 타게 됐습니다. 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 조원일 박사팀이 물리화학적 불안정성을 제거할 리튬-알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발했습니다. 연구팀은 이와 함께 전해질 시스템을 최적화해 기존에 개발된 리튬이온전지 대비 2배 이상 수명을 끌어올리는 데도 성공했습니다. 해당 연구는<Science Advances>에 게재됐습니다.

리튬금속전지 '성장'이 필요해  

리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 전지입니다. 리튬금속은 현재까지 파악된 음극물질 중 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있습니다. 리튬금속은 산화 환원 전위가 매우 낮다는 특징도 갖습니다. 덕분에 경량화 및 대용량화가 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재로 기대를 모은 바 있었죠. 하지만 전극단락과 폭발 가능성이 제기됐습니다. 리튬금속 표면에서 발생하는 덴트라이트 때문이었죠. 이에 흑연 음극을 사용하는 리튬이온전지가 먼저 상용화됐습니다.

리튬이온전지는 상용화 이후 지속적으로 기술개발이 이뤄져왔습니다. 하지만 리튬이온전지는 최근 단위 무게당 에너지 밀도를 더 이상 높이기 어려운 한계점에 이르렀습니. 전기 자동차, 드론 등의 다양한 분야에서는 더욱 높은 성능의 고용량 전지를 요구합니다. 이에 전 세계의 과학자들이 리튬금속 음극의 전기화학적 안정성을 확보하기 위한 연구를 활발히 진행해왔습니다. 

'알루미늄'으로 성장하다

KIST 연구팀은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄에서 문제 해결의 실마리를 찾았습니다. 연구팀은 기존의 순수 리튬금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어했습니다. 연구팀은 또한 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS) 기반의 초박막 인조 보호막을 형성했습니다. 덕분에 연구팀은 전지 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴트라이트의 성장을 억제할 수 있었습니다.

초박막 인조보호막은 KIST 조원일 박사가 개발한 '인공 고체-전해질 계면상'입니다. 인공 고체-전해질 계면상(Artificial Solid-Electrolyte Interphase, ASEI)이란 각 전극과 전해액 사이에 일어나는 반응을 제어하기 위해 양극 혹은 음극 표면에 인위적으로 만들어준 수∼수천 나노미터 두께의 얇은 층을 말합니다. 연구팀은 이미 지난해 <Nature>에서 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사하며 성능과 안정성을 입증한 적이 있었죠.

연구팀은 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮추는데 연구를 집중했습니다. 복잡한 제조공정을 단순화 및 전지의 안정화하는 데에도 연구를 집중했습니다. 초박막 인조보호막의 실제 양산성 확보를 하기 위함이었죠. 연구팀은 리튬의 핵생성 과전압 측정과 계산을 통해 ASEI가 음극 표면에서 리튬의 안정한 이동을 일으키는 원천적 메커니즘을 설명했습니다.

연구팀은 나아가 해당 음극에 고전압ㆍ고용량 배터리 NCM811 양극 극판과 최적화된 전해액 시스템을 적용했습니다. 이를 통해 연구팀은 안정한 리튬-금속 전지 시스템을 파우치셀 수준에서 제조해 성능을 입증했습니다. 리튬이온전지의 에너지 밀도를 능가하는 차세대 전지의 가능성을 보여준 셈입니다.

KIST 조원일 박사는 "기존 리튬이온전지의 용량 한계가 예상됨에 따라 리튬금속전지 개발의 요구가 점증하고 있다”면서 “차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지를 필요로 하는 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템(ESS) 등의 발전에 기여할 수 있게 되기를 기대한다"고 밝혔습니다.

##참고자료##

• Kim, Mun Sek, et al. "Enabling reversible redox reactions in electrochemical cells using protected LiAl intermetallics as lithium metal anodes." Science advances 5.10 (2019): eaax5587.
• Kim, Mun Sek, et al. "Langmuir–Blodgett artificial solid-electrolyte interphases for practical lithium metal batteries." Nature Energy 3.10 (2018): 889.

강지희 다른기사 보기