한국화학연구원, 리튬금속전지 수명 3배 늘려…대면적 연구 조만간 착수

기계적 반죽법 사용 손쉽게 복합 소재 만들어 적용

(지디넷코리아=박희범 기자)기존 리튬금속전지 수명을 3배이상 늘릴 수 있는 획기적인 소재가 개발됐다.

한국화학연구원은 화학소재연구본부 김도엽 박사 연구팀(논문 제1저자 : 정상윤 박사과정)이 손쉬운 방법으로 리튬복합소재를 개발했다고 5일 밝혔다.

리튬금속전지를 충전할 때 리튬이온은 양극에서 음극인 리튬금속 표면으로 이동한다. 이 때 리튬이온이 리튬금속에 나뭇가지처럼 마구잡이로 쌓이는 데(덴드라이트), 연구팀이 이 문제를 해결한 것. 

한국화학연구원 이차전지 연구팀(오른쪽부터 김도엽 책임연구원, 정상윤 박사과정)(사진=화학연)

리튬 덴드라이트 현상은 전해액 분해를 가속화해 전지 성능을 떨어뜨리고, 심한 경우 분리막을 뚫고 나와 양극과 접촉하는 쇼트가 발생, 전지폭발을 일으키기도 한다.

이에 따라 리튬금속을 음극재로 사용하는 리튬황전지나 리튬공지전지 등 고성능 차세대 이차전지를 개발하기 위해서는 이같은 리튬 덴드라이트 성장 억제 기술이 필수다.

연구팀은 이 문제 해결을 위해 기계적 반죽법을 도입했다.

전고체 전지의 고체전해질로 많이 쓰는 Al-LLZO(알루미늄을 도핑한 리튬란타튬지르코네이트고체전해질 복합소재)을 기계적으로 반죽해 복합소재 입자가 고루 섞이도록 한 것.

리튬 호일에 LLZO 입자를 올린 뒤 반을 접어 롤프레스로 눌러 펴준 다음, 이를 다시 반을 접어 롤프레스로 눌러주는 과정을 30회 반복했다.

이렇게 개발한 복합 소재를 리튬 금속전지의 음극으로 사용했을 때 대면적 대조군인 리튬 호일(일반 리튬 음극) 대비 전지 수명이 3배 이상 증가했다.

리튬이온 이동 경로(양극→음극) 및 리튬 성장 모식도.

연구팀은 "리튬금속을 적용하면 70회 충·방전 이후 용량 감소율이 커지는 반면, 이번에 개발한 복합소재를 적용하면 250회 충·방전 후에도 급격한 용량 감소 없이 안정적으로 구동했다"며 "충·방전 속도가 일정 조건에서 20% 이상 증가한 것도 확인했다"고 설명했다.

연구팀은 셀 적용 가능성을 확인하기 위한 실험도 진행했다. 가로 3㎝, 세로 4.2㎝ 크기의 파우치 셀을 조립해 충·방전시켰을 때 50㎃h 용량이 유지됐다.

김도엽 책임연구원은 "대면적 셀 적용 가능성을 확인한 셈"이라며 ""최근 선정된 ‘글로벌 TOP 전략연구단’ 사업과 연계해 리튬 복합소재의 고성능 및 대면적화를 위한 공정 기술 개발을 추진할 계획"이라고 말했다.

연구결과는 소재분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF : 19)(1월호) 내부 표지 논문으로 게재됐다.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)