리튬이온전지 단점을 극복할 신소재 개발이 활발한 가운데, 기존 흑연 음극의 저에너지 밀도 개선을 위한 고에너지 리튬 이온 금속 하이브리드 이차전지 소재 기술이 국내 개발됐다.
한국기초과학지원연구원(KBSI·원장 양성광)은 김해진 소재분석연구부 박사팀이 이같은 성과를 거뒀다고 17일 밝혔다.
음극 물질로써 리튬 금속은 이차전지에 많이 쓰이는 흑연 음극보다 10배 이상 용량을 제공하지만, 부피 변화가 크고, 순환 안정성이 낮다.
연구팀은 고용량 리튬 이온 금속하이브리드 음극 열화가 주로 큰 부피 변화에 따른 구조적 변형 때문에 발생한다는 사실을 밝혀냈다.
'구형 탄소(Spherical Carbon)' 호스트 재료를 사용한 리튬 이온 및 하이브리드 음극을 조사했는데, 구조 변형 탓에 탄소 호스트의 전기적 비활성화가 발생해 전기적 접촉을 잃게 만든다는 것을 밝혀 냈다.
또 연구진은 고체 전해질 계면(SEI)층에 은 나노입자를 고정해 이런 접촉 손실을 억제하는 방법을 확보했다.
은 나노입자 고정법을 거친 SEI층은 탈리(리튬 이온이 양극 결정 구조 외부로 방출돼 전해질로 이동하는 현상)화 후에도 서로 인접하게 유지될 가능성이 있으며, 큰 부피 변화 탓에 물리적으로 분리된 탄소 호스트 사이 전자 전달 경로 역할을 할 수 있다는 사실을 증명했다.
KBSI는 “음극에 리튬이 석출되는 상황에서 전극 열화 메커니즘을 규명하고, 충방전 중 음극 활물질 표면에 발생하는 SEI층에 전도성을 부여함으로써 전극 열화를 예방할 수 있다는 새로운 발견을 했다”며 “이번 발견을 응용해 급속충전 시 음극내 리튬 석출로 인한 전극 열화 현상 개선 후속 연구를 진행하고자 한다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 충청권 학연플랫폼구축 시범사업으로 수행됐으며, 연구 성과는 복합재료분야 국제저명 학술지인 '컴포짓 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)'에 지난해 12월 30일자 온라인 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
