체질개선한 ‘리튬금속전지’, 리튬이온전지 자리 넘본다

KIST 에너지저장연구단 조원일 박사 연구팀 주도…알루미늄 합금, 초박막 인조보호막 적용해 리튬음극 불안정성 해소

(좌) 이황화몰리브덴 기반의 인조보호막 소재가 전사된 음극재 (우) 리튬- 알루미늄 합금에 초박막 인조보호막이 적용된 음극재를 활용한 파우치 형태의 리튬 금속전지 실물/사진=KIST

이차전지의 대명사격인 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 10배 가량 더 높은 것으로 알려진 ‘리튬금속전지’ 개발이 국내 연구진에 의해 다시 급물살을 타게 됐다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 조원일 박사 연구팀이 리튬-알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발했다고 17일 밝혔다. 이 음극재는 리튬금속전지 상용화의 최대 걸림돌인 물리화학적 불안정성을 제거할 수 있다. 연구팀은 또 전해질 시스템을 최적화해 기존에 개발된 리튬이온전지 대비 2배 이상 수명을 끌어올리는 데도 성공했다.

리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 전지다. 리튬금속은 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있다. 경량화·대용량화가 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재라는게 연구팀의 설명이다.

하지만 리튬금속 표면에서 발생하는 덴트라이트로 인해 전극 단락과 폭발 가능성이 제기되면서 흑연 음극을 사용하는 리튬이온전지가 먼저 상용화됐다. 덴드라이트는 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정을 말한다. 이는 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다.

연구팀은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄에서 문제 해결의 실마리를 찾았다. 기존 순수 리튬금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어했다. 또 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS) 기반의 초박막 인조보호막을 형성해 전지 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴트라이트의 성장을 억제했다.

조 박사는 “기존 리튬이온전지의 용량 한계가 예상됨에 따라 리튬금속전지 개발의 요구가 늘고 있다”면서 “차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지를 필요로 하는 드론(무인기), 자율주행차, 에너지저장시스템(ESS) 등의 발전에 기여할 것”이라고 말했다.