“리튬이차전지 수명 6배 더 늘어난다” KAIST, 리튬 금속전지 개발 성공

- 김일두·임성갑 교수 공동연구팀

이번 연구 결과가 게재된 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 표지.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 기존보다 10배 높은 용량을 가진 리튬 금속은 차세대 리튬이차전지 전극소재로 각광받고 있다. 하지만 충·방전 과정 중 리튬 덴드라이트(dendrite)라 불리는 바늘 구조의 침전물이 쉽게 형성되는 근본적인 문제로 인해 아직까지 상용화되지 못하고 있다.

카이스트(KAIST)는 신소재공학과 김일두 교수와 생명화학공학과 임성갑 교수 공동 연구팀이 리튬이온전지의 전해액 속에서 팽윤(고분자 화합물이 용매를 흡수해 부피가 늘어남)되는 초박형 공중합체 고분자 보호막을 적용, 리튬 금속 전지의 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

리튬 금속의 낮은 쿨룽 효율, 짧은 전지 수명, 폭발 위험 등을 막기 위해 인공으로 고체-전해질 계면(이하 SEI) 층을 보호막처럼 만들어 리튬 이온의 원활한 전달과 덴드라이트의 성장을 억제하기 위한 다양한 연구들이 진행됐다. 그러나 기존 인공 SEI 층들은 두께가 두꺼워 전지 내부의 높은 저항을 발생시키거나, 수백 사이클 이상의 구동 시 리튬 금속으로부터 떨어져 리튬 금속 음극의 장시간 안정성 유지에 어려움이 있었다.

연구팀은 리튬 금속의 높은 반응성을 제어하고 덴트라이트 성장 및 전해액 고갈 문제를 해결하기 위해 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD)’이라는 공정을 이용했다. 이 공정 기술은 리튬금속 표면에 손상없이 보호막으로 적용되도록 용매를 사용하지 않는 온화한 조건에서 공정을 진행하며 기능성 고분자 박막을 얇게 균일하게 적용할 수 있다는 장점이 있다.

연구팀은 iCVD 공정으로 제조된 고분자 박막을 활용해 리튬 전극의 계면을 안정화했다. 전해액과 만나 3배 팽윤되어 부드러운 SEI 구조체를 형성하는 고분자 보호막이 적용된 리튬 음극은 세계 최고 수준의 리튬 이온 운반율과 이온 전도도 특성을 보였다. 특히 100 나노미터(nm)의 얇은 두께에서도 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 막는 효과가 있다는 사실을 증명했다. 연구팀은 피디멤스가 코팅된 리튬 음극과 상용화된 양극을 배터리 셀로 제조, 무려 600 사이클 이상 안정적으로 구동되는 세계 최고 수준의 성능을 구현했다.

김일두 KAIST 신소재공학과 교수.[KAIST 제공]

김일두 교수는 “고용량 리튬 이차전지뿐만 아니라 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지와 같은 차세대 이차전지에도 필수적으로 사용되는 리튬 음극의 상용화를 앞당기는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 표지논문으로 선정돼 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com