- KAIST·UNIST 공동연구팀, 리튬금속전지 수명 늘리는 전해액 첨가제 기술 개발

전기자동차.[123RF]
전기자동차.[123RF]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 전기자동차 주행거리를 늘리기 위해서는 기존 리튬이온전지보다 에너지 저장용량이 더 큰 차세대 전지가 필요하다. 리튬금속전지는 리튬이온전지 흑연보다 10배 높은 용량을 발현하는 리튬금속 음극을 채용하고 있다는 장점을 지니고 있다. 하지만 수명이 짧다는 한계점을 동시에 가지고 있다. 이런 상황에서 국내 연구진이 리튬금속전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 원천기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 울산과학기술원(UNIST)와 함께 리튬금속전지의 장수명화를 가능하게 하는 전해액 첨가제 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 개발된 첨가제 조합 기술은 리튬금속 음극 표면에 바람직한 이중층 고체전해질 계면 박막을 형성해 리튬 덴드라이트 형성을 억제하고 리튬이온을 균일하게 전달해 리튬금속전지의 수명과 고속 충‧방전 특성을 대폭 향상시켰다.

연구팀은 고체전해질 계면막을 계층화하고 형성된 이중층 계면막의 담당 기능을 구체화할 수 있는 환원반응성과 흡착력이 다른 2종 이온성 첨가제를 도입해 리튬금속 전지 수명을 획기적으로 끌어올리는데 성공했다. 또한 니켈리치 양극 표면을 보호하는 얇은 계면막을 형성시켜 양극의 구조적 안정성도 확보했다.

연구팀은 리튬금속 음극이 가지는 불안정성을 해결하기 위해 전자 받음 능력과 흡착 경향성에 따른 이온성 첨가제의 순차적인 환원 분해에 의해 이중층 고체전해질 계면막이 형성되도록 설계했다.

이 기술은 이차전지 시장 판도를 바꿔 놓을 게임 체인저가 될 것으로 예상되는 무음극 이차전지 기술의 경우 충전 시 리튬금속이 음극 기재에 생성되므로 리튬금속을 안정화시키는 전해액 첨가제 기술은 무음극 이차전지의 성능을 더욱 끌어올리는 데 기여할 것으로 기대된다.

첨가제 도입에 의한 리튬금속 음극 이중층 계면막 형성과 니켈리치 양극 계면막 형성에 대한 모식도.[KAIST 제공]
첨가제 도입에 의한 리튬금속 음극 이중층 계면막 형성과 니켈리치 양극 계면막 형성에 대한 모식도.[KAIST 제공]

개발된 리튬금속 음극 보호용 이중층 계면막 기술은 리튬금속 음극과 니켈 리치 양극으로 구성된 전지의 600회 충·방전 후에도 초기 용량의 80.9%를 발현했으며 99.94%의 매우 높은 쿨롱효율을 보였다.

최남순 교수는 “개발된 고체전해질 이중층 계면막 기술은 기존에 보고되던 고체전해질 계면막과는 달리 계층적 구조화를 통해 고강도 막과 고이온 전달성 막을 리튬금속 음극 표면에 형성하는 새로운 시도”라며 “이러한 기술은 리튬금속 전지의 최대 과제인 리튬금속 음극과 전해액의 불안정한 계면을 제어하는 첨가제 개발에 새로운 방향을 제시했다”라고 연구의 의미를 강조했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머터리얼즈’ 10월 25일 온라인 공개됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com