한국전기연구원(KERI·원장 직무대행 김남균)은 김병곤 차세대전지연구센터 연구팀이 대용량 리튬금속 전지 출력과 안정성을 높일 수 있는 '1차원 중공 코어-다공성 쉘 탄소 나노섬유'를 개발했다고 29일 밝혔다.
리튬이온 전지는 흑연 음극으로 리튬 이온을 사용해 에너지를 만드는 구조이고, 리튬금속 전지는 흑연 대신 리튬금속 자체를 음극으로 사용하는 전지다.
리튬금속 전지 리튬 음극은 흑연 음극과 비교해 이론상 저장 용량이 10배 이상 높아 전기차나 에너지저장장치(ESS) 등 대용량 전지가 필요한 분야에서 관심이 높다. 하지만 충·방전 시 리튬금속을 효과적으로 저장하지 못하면 리튬이 나뭇가지 모양으로 자라는 일명 '수지상 결정(dendrite)'이 발생해 점점 부피가 커지고, 이로 인해 전지 수명 저하와 내부 단락에 따른 화재·폭발 사고로 이어질 수 있다.
연구팀은 '중공 코어-다공성 쉘 구조 탄소 나노섬유' 개발로 이 문제를 해결했다.
먼저 '중공 코어' 부분에 리튬 친화성 물질인 '금' 나노 입자를 소량 첨가해 금과 리튬이 우선 반응해 리튬 성장 방향을 제어하고 리튬을 코어 내부에 저장할 수 있게 했다.
이어 '쉘' 부분에 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있도록 '기공'을 만들어 고속 충·방전에도 리튬의 수지상 성장 없이 전·탈착 효율을 높였다.
연구팀은 고출력 조건에서 쉘 기공과 리튬 친화성 물질 덕분에 리튬이 코어 내부에 전착된다는 것도 시뮬레이션으로 검증했다. 높은 전류밀도 조건에서 500사이클(용량 유지율 82.5%) 이상의 우수한 성능을 나타내는 것을 확인했다. 전해질 분야에서도 안정적인 리튬 전·탈착이 가능한 기능성 전해액 개발을 추진할 계획이다.
김병곤 박사는 “리튬금속 전지는 고용량이라는 장점에도 불구하고 안정성 문제로 상용화까지 넘어야 할 산이 많다”며 “이번 성과는 고속 충·방전 조건에서 리튬 전·탈착 효율이 높은 리튬 저장체를 대량 생산하는 기법을 개발했다는 점에서 그 가치가 크다”고 말했다.
이 연구 결과는 미국 화학회 'ACS나노' 8월호 표지논문으로 게재됐다. 해당 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업과 KERI 기본사업의 지원을 받았다.
창원=임동식기자 dslim@etnews.com
