광주과학기술원(GIST)은 엄광섭 신소재공학부 교수팀이 구리 집전체(배터리 내부 음극과 양극에 전류를 공급하는 부분) 전기화학적 전처리로 리튬금속 전지 용량 유지율 및 내구성을 대폭 향상시키는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
엄 교수팀은 유기 전해질 내에서 티오요산 리튬 질산염 분해 촉매 효과를 규명하고 이를 이용한 간단한 전기화학적 공정으로 리튬금속 전지 음극에 사용되는 구리 집전체 표면에 무기물이 풍부한 인공 고체막을 형성했다. 인공 고체막의 강한 물성과 이온 전도성에 의해 전지 성능과 내구성을 떨어뜨리는 리튬 수지상 결정 성장이 억제되는 것으로 나타났다. 이는 리튬 질산염 촉매적 분해로 생긴 다량의 무기물 때문임을 확인했다.
연구팀이 개발한 구리 집전체를 사용한 리튬 금속 음극을 사용한 결과, 기존 구리 집전체 대비 약 2.5배 높은 용량 유지율과 4배 이상 수명을 갖는 리튬금속 전지를 제조할 수 있었다. 기존 구리 집전체는 약 30회 충·방전 후 70% 이하로 용량이 줄어들었지만 새로 개발한 구리 집전체를 사용한 음극은 120회 이상 충·방전 후에도 70% 이상 용량을 유지하는 등 안정적인 성능을 보였다.
연구팀은 전기화학 처리가 전압 주사와 같은 간단한 전기적 신호 적용만으로 이뤄지기 때문에 전극 제조공정을 단순화할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
엄광섭 교수는 “소량의 전해질 첨가제와 간단한 전기화학 표면처리로 리튬금속전지 음극용 집전체로 사용할 수 있는 충분한 안정성을 확보했다는 데에 큰 의미가 있다”면서 “향후 고에너지 리튬금속전지를 장착한 전기자동차의 상용화에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
엄 교수가 지도하고 김수빈 박사과정생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 지스트 차세대에너지연구소 및 현대자동차 NGV 지원으로 이뤄졌다. 재료 공학 분야 국제 저명 학술지인 '스몰(Small)' 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
