리튬 전지 수명과 안전성 늘리는 공정 기술 국내 개발

김일두·임성갑 KAIST 교수 공동 연구팀 성과

공중합체 고분자 보호막이 적용된 리튬 음극 그림. /KAIST 제공

리튬 전지(배터리) 수명을 크게 늘려주는 기술이 국내에서 개발됐다. 지금 쓰이는 제품은 물론 차세대 리튬 전지에도 적용 가능할 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST)는 김일두 신소재공학과 교수와 임성갑 생명화학공학과 교수 공동 연구팀이 리튬이온전지 전해액 속에서 부피가 늘어나는 초박형 공중합체 고분자 보호막을 적용해 배터리 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

리튬 전지는 발열을 잡기 어렵고 수명이 짧은 데다가 폭발 위험도 있다. 이를 해결하기 위해 전해질 계면층을 보호막처럼 만들어 리튬 이온이 전지 안에서 원활히 움직이게 하는 식으로 전지가 장기간 성능을 유지하는 기술이 쓰였다. 그러나 기술적 한계로 계면층이 두껍게 들어가다 보니 전지 내부에 높은 저항이 발생하는 것과 같은 문제가 있었다.

공동 연구팀은 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD)’이라는 공정을 새로 개발해 문제를 해결했다. 이 공정을 쓰면 전해질 계면층을 얇고 균일하게 만들 수 있다는 장점이 있다. 연구팀이 새로 개발한 공정으로 만든 전해질 계면층을 리튬 전지에 적용하자 0.95라는 리튬 이온 운반율이 측정됐다. 이는 기존에 출시된 리튬 전지 성능과 비교했을 때 세계 최고 수준이라고 연구팀은 설명했다.

iCVD 공정으로 만든 리튬 전지는 기존 제품 대비 수명이 6배 이상 늘어났다. 또 100㎚ 수준의 얇은 전해질 계면층으로 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 막아냈다. 리튬 덴드라이트는 리튬 전지 내부에서 자라나는 나뭇가지 모양의 결정으로 리튬 전지를 고장내거나 불이 붙게 하는 주요 원인이다.

김 교수는 “이번 연구로 고용량 리튬 이차전지 생산에 도움을 줄뿐만 아니라 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지와 같은 차세대 전지 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 성과가 담긴 논문은 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 지난 8일 게재됐고 표지논문으로 선정됐다.

참고자료

Advanced Energy Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202203818

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