포스텍, 리튬이온 이동경로 자기적으로 제어하는 마그네토-컨버전 방식 개발

전기차 한 번 충전에 더 많은 에너지를 담으면서도, 폭발 위험은 더 낮춘 새로운 배터리 기술이 개발됐다.

포스텍(POSTECH)은 김원배 화학공학과 교수와 강송규 박사, 통합과정 김민호 씨 연구팀이 고에너지밀도 전극 소재에 자기장으로 리튬 이온 흐름을 제어해 덴드라이트(dendrite) 형성을 억제하는 차세대 하이브리드 음극 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

왼쪽부터 김원배 교수, 강송규 박사, 통합과정 김민호씨

연구팀은 '망간-철(Mn-Fe)' 산화물 기반의 강자성 전환형 음극재에 외부 자기장을 적용해 리튬 이온의 이동 경로를 자기적으로 제어하는 마그네토-컨버전(Magneto-conversion) 방식을 개발했다. 이번 연구는 최근 에너지 분야 국제 학술지인 '에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 소개됐다.

리튬 금속 음극은 이론상 에너지 저장 용량이 매우 크지만 충전과 방전을 반복하는 과정에서 바늘처럼 자라나는 덴드라이트가 합선을 일으켜 폭발로 이어질 수 있다. 반면 현재 널리 쓰이는 흑연 음극은 용량 한계가 뚜렷해 차세대 기술이 절실한 상황이다.

연구팀이 고안한 아이디어는 간단하다. 망간-철 산화물 전환형 음극재 안에 리튬이 들어가면 강자성을 띠는 나노입자가 생기는데, 여기에 자기장을 걸면 이 입자들이 작은 자석처럼 배열된다. 이렇게 되면 리튬 이온이 한쪽으로 몰리지 않고 넓게 퍼져 흐른다. 이 과정에서 로렌츠 힘(자기장 속에서 전하가 받을 수 있는 힘)이 작용해 리튬 이온을 넓게 분산시켜, 덴드라이트 대신 매끈하고 균일한 리튬 금속층이 쌓인다.

자기-전환 음극 설계를 통한 고에너지밀도·덴드라이트 없는 하이브리드 리튬이온·리튬금속 배터리 모식도

또, 이 음극은 리튬 이온을 산화물 안에 저장하는 방식과 표면에 금속 형태로 쌓는 방식이 동시에 일어나는 '하이브리드형 음극'이다. 덕분에 상용화된 흑연 음극보다 약 4배 높은 저장 용량을 구현했고, 덴드라이트 없이 안정적으로 충·방전이 가능했다. 300회 이상 충·방전 후에도 배터리 안정성을 보여주는 지표인 '쿨롱 효율'이 99% 이상을 기록했다.

김원배 교수는 “이번 방식은 리튬 금속 음극의 가장 큰 약점인 불안정성과 덴드라이트 문제를 한꺼번에 해결할 새로운 접근”이라며 “차세대 배터리 용량·수명·충전속도를 모두 개선할 기반 기술이 될 것”이라고 했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터, 중견 연구자지원사업, 첨단산업특성화대학원지원(배터리) 사업 지원으로 수행됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com