화학연, 차세대 리튬이차전지 성능·안전성 모두 잡은 리튬 복합소재 개발

화학연 차세대 이차전지 연구팀이 광학현미경으로 리튬금속에 마구잡이로 성장하는 리튬 덴드라이트를 확인하고 있다.

리튬이온전지를 대체할 차세대 이차전지 연구개발(R&D)이 한창인 가운데, 국내 연구진이 차세대 리튬이차전지 핵심 소재인 리튬 성장을 안정화해 기존보다 안전하면서 수명은 3배 이상 우수한 이차전지 소재 개발에 성공했다.

한국화학연구원(원장 이영국)의 김도엽 박사팀은 최근 발표된 연구에서, 이차전지 내 리튬금속의 제어 불가능한 마구잡이식 성장으로 성능과 안전성을 저해하던 문제를 해결하는 새로운 리튬 복합소재를 개발했다.

연구팀이 개발한 고 안정성 리튬 복합소재는 향후 후속 연구 및 상업화 연구를 통해 차세대 리튬이차전지로 주목받는 리튬금속전지, 리튬황전지, 리튬공기전지 등에 활용될 것으로 기대된다.

현재 리튬이온전지 음극재로 주로 사용한 흑연은 리튬금속과 비교해 에너지 밀도가 낮고 이론 용량이 월등히 적다. 상대적으로 부피도 크다. 결국 리튬금속이 차세대 리튬 이차전지의 가장 이상적인 음극재로 알려져 있다.

일반적인 리튬이차전지는 충전 시 양극에서 음극으로 리튬이온이 이동해 전기에너지를 저장한다. 그런데 리튬이온전지에서는 양극에서 음극으로 이동하는 리튬이온이 흑연의 층상구조 내로 들어가 안정적으로 저장되는 반면, 리튬금속전지에서는 리튬이온이 음극인 리튬금속 표면에 리튬으로 바뀌어 쌓이게 된다.

이때 리튬이 고르게 자라나지 못하고 국소적으로 성장해 나뭇가지처럼 자라나는 '리튬 덴드라이트'가 발생한다.

이는 전해액 분해를 가속하여 전지의 성능을 떨어뜨리거나 심한 경우 분리막을 뚫고 자라나 양극과 접촉하는 쇼트를 일으켜 전지 폭발 가능성이 있다.

리튬금속을 음극재로 사용하는 리튬황전지, 리튬공기전지 등 고성능 차세대 이차전지 개발을 위해서는 이런 리튬 덴드라이트 성장 억제 기술이 필수적이지만 기존 기술들은 해결해야 하는 문제가 많다.

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

기존 복합소재 제조 기술은 고온 등의 조건 하에 리튬과의 반응이 필요한 방식이었다면, 본 연구에서는 리튬이온을 잘 전달하는 소재를 리튬금속과 물리적으로 섞는 매우 손쉬운 방법으로 복합소재를 제조했다.

개발된 리튬 복합소재를 테스트한 결과, 일반 리튬금속에 비해 리튬 덴드라이트 성장이 확연히 줄어들었으며, 이에 따라 전지의 수명이 3배 이상 증가한 것을 확인했다.

일반 리튬금속을 적용하면 70회 충·방전 이후 용량 감소율이 커지는 반면, 개발된 소재를 적용하면 250회 충·방전 후에도 급격한 용량 감소 없이 안정적으로 구동하였다. 또한 충·방전 속도가 일정 조건에서 20% 이상 증가한 것을 확인했다.

연구팀은 개발된 복합소재를 리튬금속전지와 리튬황전지에 적용했을 때 전지의 수명이 크게 개선되었고, 대면적 파우치 셀에 적용했을 때 안정적인 충·방전 특성을 나타내어 실제 전지 적용 가능성을 보였다.

연구팀 개발 기술은 최근 선정된 '글로벌 TOP 전략연구단' 사업에 연계해, 개발된 리튬 복합소재의 고성능 및 대면적화를 위한 공정 기술 개발을 지속 추진할 예정이다.

이영국 원장은 “이번 연구를 통해 개발한 기술은 차세대 이차전지 핵심 소재 기술로, 이차전지 시장에서 기술 우위를 확보하고 차세대 이차전지 시장을 선점할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 1월호 내부 표지 논문으로 게재됐다.

또 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 나노 및 소재 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com