리튬이온전지 속 미세 구조물 간격 바꿔 이온 이동량 3.4배까지 높였다

김성재 서울대 전기·정보공학부 교수(사진) 연구팀이 리튬이온전지 소재의 구조를 바꿔 리튬이온전지 내부의 이온 이동량을 3.4배까지 높일 수 있는 기술을 개발했다고 5일 밝혔다. 서울대 제공

국내 연구팀이 리튬이온배터리 성능의 핵심 지표인 이온 이동량을 기존의 3.4배까지 높이는 방법을 알아냈다. 리튬이온배터리뿐 아니라 해수담수화 기술에도 응용할 수 있어 활용도가 높을 것으로 기대된다.

김성재 서울대 전기·정보공학부 교수팀과 알리 마니 미국 스탠퍼드대 기계공학과 교수팀은 "리튬이온전지 내부에 있는 미세 구조물의 간격을 균일하지 않게 바꾸는 것만으로 나노 다공성 막을 통과하는 전해질 이온의 전달을 가속화 해 리튬이온전지의 이온 이동량을 최대 3.4배 높인다는 사실을 세계 최초로 증명했다"고 5일 밝혔다.

리튬이온전지 내부에는 이온이 움직일 수 있는 전해액 안에 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 놓여있다. 분리막은 직경이 100nm(나노미터, 1nm는 10억분의 1m)인 작은 구멍을 갖고 있는 나노 다공성 막이 쓰인다. 

리튬이온전지의 음극과 양극에 전기 장치를 연결하면 음극에 있던 리튬 원자가 이온화돼 내놓은 전자가 장치로 흘러 들어가 전기가 흐르고 전해액을 타고 양극으로 이동한 리튬이온은 장치를 거쳐 온 전자와 결합해 다시 리튬 원자로 돌아간다. 충전하면 이 과정이 반대로 일어나 처음 상태로 돌아간다. 이 때문에 리튬이온이 분리막을 빨리 통과할수록 리튬이온전지의 성능이 좋아진다. 

연구팀은 리튬이온전지 내부 구조를 관찰하기 위해 양극, 음극, 나노 다공성 막으로 이뤄진 전지를 얇게 잘라냈다. 양극과 음극에는 100㎛(마이크로미터, 1㎛는 100만 분의 1m) 크기의 미세 구조물들이 약 100㎛ 간격으로 균일하게 배치돼 있다. 연구팀은 이 간격을 80㎛, 90㎛, 110㎛ 등으로 바꿔 균일하지 않게 배치한 후 이온 이동량의 변화를 관찰했다. 

그 결과 간격을 일정하지 않게 바꾸면 일정 시간 안에 나노 다공성 막을 통과하는 이온의 양이 간격이 균일할 때의 이동량의 최대 3.4배가 된다는 사실을 관찰했다. 또 리튬이온전지 내부에 생기는 나뭇가지 모양의 결정인 '덴드라이트' 생성량도 줄어든다는 사실을 관찰했다. 덴드라이트는 리튬이온전지의 내부 저항을 상승시켜 폭발의 원인이 된다. 

이번 연구를 응용하면 리튬이온전지의 성능을 높일 수 있을 뿐 아니라 이온 교환을 통해 바닷물을 공업용수, 산업용수 등으로 바꾸는 해수 담수화 장치의 성능도 개선할 수 있다.

연구를 이끈 김성재 교수는 "미세 구조물의 균일하지 않은 분포가 막대한 전력 효율 향상시키는 기작을 가시화하고 시뮬레이션으로도 증명했다"며 "현재 이 기술을 활용해 배터리와 해수 담수화 장치에 응용하는 플랫폼을 개발 중"이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '나노 레터스' 인터넷판 3월 30일 자에 실렸고 표지 논문으로 선정됐다.

[김우현 기자 mnchoo@donga.com]