이병선 단국대 교수팀, 고용량 리튬금속전지 수명 78% 향상 '눈길'

이병선 단국대 고분자시스템공학부 교수(오른쪽)와 제1저자 구은모 석사과정./사진제공=단국대

단국대학교는 최근 이병선 고분자시스템공학부 교수 연구팀이 고용량 리튬금속전지 수명을 기존보다 78% 향상한 호스트를 개발했다고 30일 밝혔다. 호스트는 리튬을 저장하는 공간을 의미한다.

리튬금속전지는 리튬이온전지의 음극재를 흑연이 아닌 리튬으로 대체한 배터리다. 리튬은 현재까지 알려진 음극재 중 최상급의 에너지 밀도(기존 대비 10배)를 자랑한다. 또 부피를 획기적으로 줄일 수 있어 이차전지에 가장 적합한 소재로 주목받고 있다.

고에너지밀도 전지와 전고체전지 음극재로는 리튬금속이 가장 많이 활용된다. 하지만 리튬금속은 충방전 사이클을 거듭할수록 표면에 나뭇가지 모양으로 리튬이 자라나는 일명 '수지상(Dendrite) 성장'이 발생한다. 이는 전지의 수명과 안정성을 위협하는 요소다.

수지상 형성을 억제하기 위해서는 단위 면적당 전류밀도를 낮춰야 한다. 이 교수팀은 리튬 음극재에 3차원 은/탄소 나노섬유 호스트를 사용해 면적을 넓혔다. 또 리튬 친화도가 우수한 은나노입자로 면적 증가 효과를 한층 강화했다.

뿐만 아니라 리튬 친화도가 낮은 백금 코팅층을 분리막에 도입했다. 수지상은 통상적으로 수직 전착되는데, 백금 코팅층 분리막을 개입시키면 은/탄소 나노섬유와 수평방향으로 형성된다.

연구팀은 호스트가 리튬금속전지의 수지상 성장과 전기적 단락, 폭발·화재 등을 억제하는 효과가 있다는 사실을 입증했다. 고체-전해질 중간상(SEI) 형성을 저지해 리튬금속 전지의 수명도 대폭 늘렸다.

결과적으로 현재 상용화된 양극보다 더 높은 단위면적당 중량 및 용량을 가진 양극(≥5 mA h cm-2)과 완전지(Full-cell)를 구성해 리튬금속전지 수명을 78%가량 향상하는데 성공했다.

이 교수는 "상용화된 카보네이트 전해질에서 고용량 리튬금속전지 수명을 획기적으로 향상할 수 있는 호스트를 구현했다"며 "이는 리튬금속전지의 상용화 시기를 앞당기는 핵심 기술이 될 것"이라고 설명했다.

한편 이번 연구는 △한국연구재단의 개인기초연구사업 '기본연구'와 '중견연구' △미래모빌리티분야 핵심기술 글로벌 인재양성사업 △삼성 SDI 등의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 'Tailoring Lithium Horizontal Deposition for Long-Lasting High-Loading NCA(≥5 mA h cm-2)||Lithium-Metal Full Cells in Carbonate Electrolytes'(카보네이트 전해질 기반 고용량 NCA(≥5 mA h cm-2)||리튬금속 완전지 구동을 위한 리튬 수평 전착 거동 설계)라는 제목으로 재료과학 분야 국제학술지 'ACS Nano'(IF=15.8, JCR 상위 5.5%) 온라인판에 게재됐다.

이병선 단국대 고분자시스템공학부 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=단국대