화학연구원, 안전성·성능 높인 차세대 리튬이차전지 소재 개발

글로벌 TOP 전략연구단 사업과 연계해 대면적화 추진

광학현미경으로 리튬 덴드라이트 확인하는 화학연 연구팀 [한국화학연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

(대전=연합뉴스) 박주영 기자 = 한국화학연구원은 기존 소재보다 안전성과 성능이 뛰어난 차세대 리튬이차전지 소재를 개발했다고 5일 밝혔다.

전 세계적으로 리튬이온전지를 대체할 차세대 리튬이차전지 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

기존 리튬이온전지 음극재로는 흑연이 주로 사용되지만 에너지 밀도가 낮고 이론 용량이 적다는 문제 때문에 리튬 금속이 리튬이차전지의 가장 이상적인 음극재로 꼽힌다.

리튬전지 충전 시 양극에서 음극으로 리튬이온이 이동해 전기에너지를 저장하게 되는데, 리튬이온전지에서는 양극에서 음극으로 이동하는 리튬이온이 흑연의 층상구조 안으로 들어가 안정적으로 저장되는 반면 리튬금속 이차전지에서는 리튬이온이 음극인 리튬금속 표면에 쌓이는 문제가 있다.

이때 리튬이 고르게 자라지 못하고 나뭇가지 모양으로 성장하는 '리튬 덴드라이트'(dendrite·수상돌기) 현상이 발생한다. 이는 전해액 분해를 가속해 전지의 성능을 떨어뜨리거나 심한 경우 분리막을 뚫고 자라나 양극과 접촉해 폭발할 위험이 있다.

리튬금속을 음극재로 사용하는 리튬황전지, 리튬공기전지 등의 고성능 차세대 이차전지 개발을 위해서는 리튬 덴드라이트 성장을 억제하는 기술이 필수적이다.

연구팀은 이온전도성이 높고 덴드라이트를 잘 억제할 수 있는 소재를 도입, 리튬을 고르게 성장시키면서 리튬이온도 잘 전달하는 새로운 이차전지 음극 복합소재를 개발했다.

리튬이차전지 복합소재 개발한 한국화학연구원 연구팀 왼쪽부터 정상윤 학생연구원과 김도엽 책임연구원 [한국화학연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

테스트 결과 일반 리튬금속에 비해 리튬 덴드라이트 성장이 확연히 줄어들면서 전지 수명이 3배 이상 증가한 것으로 나타났다.

일반 리튬금속을 적용하면 70회 충·방전 이후 용량 감소율이 높아지지만, 개발된 소재를 적용하면 250회 충·방전 후에도 급격한 용량 감소 없이 안정적으로 구동했다.

연구팀은 연 1천억원 규모 '글로벌 톱(TOP) 전략연구단 사업'에 선정된 '시장선도형 차세대 이차전지 혁신 전략연구단' 사업과 연계해 이번에 개발된 리튬 복합소재의 고성능·대면적화를 위한 공정을 개발할 방침이다.

jyoung@yna.co.kr

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