DGIST 이용민 교수팀, 전지 음극 불안정성 개선 초박막 음극 개발

20㎛의 초박막 음극으로 미래 전기차 주행거리 향상에 활용 기대돼

이번 연구결과가 게재된 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 뒷 표지.[DGIST 제공]
이번 연구결과가 게재된 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 뒷 표지.[DGIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 기존 리튬이차전지의 수명을 최대 50배 높일 수 있는 기술이 개발됐다. 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 이용민·이홍경 교수, 한밭대 화학생명공학과 유명현 교수 공동 연구팀은 리튬 금속 분말에 안정화 첨가제를 첨가한 초박막 리튬 금속 음극 제조기술을 개발했다고 31일 밝혔다.

초박막 리튬 금속 음극 모식도 및 표면 개질 결과.[DGIST 제공]
초박막 리튬 금속 음극 모식도 및 표면 개질 결과.[DGIST 제공]

리튬 금속으로 제작된 전극은 높은 이론 용량, 낮은 환원 전위를 가져 전지의 에너지 밀도를 높이는 데 적합한 음극재로 관심을 받아왔다. 하지만 충·방전 과정 중 지속적인 리튬 덴드라이트(결정)가 형성되며 음극의 표면이 균일하지 못하게 되고, 이로 인한 성능 저하와 내부 단락에 의한 전지 발화 등이 발생하는 단점으로 사용에 한계가 있어왔다.

연구팀은 기존 음극에 새로운 물질을 첨가해 문제를 억제시킨 새로운 음극 제작기술을 개발했다. 연구팀은 음극 제작을 위해 계면보호 첨가제인 ‘리튬 질산염’을 리튬 금속 분말과 혼합하고, 용액상 반응을 통해 음극 표면이 균일하게 형성되도록 유도했다. 거푸집 구조에 담지된 리튬 질산염은 서서히 전해질로 방출되어 전지를 장기간 사용하더라도 지속적으로 계면이 보호되도록 설계했다.

이렇게 개발된 음극은 20마이크로미터(㎛) 두께로 긴 시간 사용하는 조건에도 기존 대비 약 50배가량 수명 특성이 향상, 리튬 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제했으며 상용전지 수준의 수명 특성이 확보될 수 있음을 실험을 통해 검증했다.

이용민(왼쪽)·이홍경(가운데) 교수, 진다희(앞쪽) 박사 과정.[DGIST 제공]
이용민(왼쪽)·이홍경(가운데) 교수, 진다희(앞쪽) 박사 과정.[DGIST 제공]

이용민 교수는 “이번에 개발한 기술은 초박막·광폭 리튬 금속 전극 제조 및 성능 확보가 가능한 원천 기술로, 다양한 전지 및 전해액 시스템에서도 적용할 수 있을 것”이라며 “리튬 금속이 적용되는 다양한 차세대 이차전지에 적용될 수 있도록 더욱 발전시키고자 한다”고 밝혔다.

한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 뒷표지 논문으로 5월 12일자에 게재됐다.