[쿠키과학]이상적인 이차전지 음극재 '리튬금속' 복합소재 개발

리튬 덴드라이트 억제, 리튬황전지 리튬공기전지 상용화 가능
충방전 효율, 고속충전 등 성능 우수 검증

리튬금속은 리튬 이차전지의 가장 이상적인 음극재로 꼽힌다.

그러나 양극에서 음극으로 이동한 리튬이온이 리튬금속 표면에 고르게 쌓이지 않고 나뭇가지 모양으로 자라는 ‘리튬 덴드라이트(dendrite)’ 현상은 전해액 분해를 유발해 성능을 저하시키고, 특히 자라난 덴드라이트가 분리막을 뚫으면 열폭주를 일으켜 화재 등 치명적인 안전문제가 발생한다.

리튬이온 이동 경로(양극→음극) 및 리튬 성장 모식도. 한국화학연구원

때문에 리튬금속을 음극재로 사용하는 고성능 리튬황전지나 리튬공기전지가 상용화되려면 리튬 덴드라이트 성장을 억제하는 기술이 필요하다.

현재 리튬전지의 음극재는 주로 흑연을 사용하지만, 상대적으로 낮은 에너지밀도와 큰 부피가 문제로 지적된다.

고성능&안전 동시 실현 고성능 리튬 복합소재

한국화학연구원(이하 화학연) 김도엽 박사 연구팀이 안전하면서도 기존 소재보다 수명이 3배 이상 우수한 이차전지 복합소재를 개발했다.

연구팀은 이온전도성이 높고 덴드라이트를 억제할 수 있는 ‘알루미늄 도핑 리튬 란타튬 지르코네이트’ 고체전해질 소재를 리튬금속과 물리적으로 섞는 간단한 방법으로 리튬 복합소재를 제조했다.

리튬 호일에 LLZO 입자를 올리고 반을 접어 롤프레스로 눌러 펴준 다음, 이것을 다시 반을 접어 롤프레스로 눌러주는 과정을 여러차례 반복해 리튬과 LLZO 입자가 고르게 섞인 복합소재를 만드는 과정. 한국화학연구원

이를 테스트한 결과 일반 리튬금속보다 덴드라이트 성장이 크게 줄고, 전지 수명은 3배 이상 증가한 것을 확인했다.

실제 일반 리튬금속이 70회 충방전 이후 용량 감소율이 커지는 반면 이번에 개발한 소재는 250회 충방전에도 안정적으로 구동했다. 여기에 충방전 속도도 일정 조건에서 20% 이상 빨라졌다.

대조군 리튬 호일과 개발 복합소재를 음극으로 사용한 리튬 속전지와 리튬황전지 성능 비교. 한국화학연구원

이에  연구팀은 개발한 리튭 복합소재를 리튬금속전지와 리튬황전지에 적용한 결과 전지 수명이 크게 개선되고, 특히 대면적 파우치셀에 적용했을 때 안정적인 충방전 특성을 갖는 것을 검증했다.

대조군인 일반 리튬 음극과 개발 복합소재 음극 표면에 리튬을 쌓으면서 리튬이 자라나는 형상을 관찰한 광학현미경 사진. 한국화학연구원 

이영국 화학연 원장은 “이번 기술이 이차전지 시장에서 글로벌 우위를 확보하고 차세대 시장을 선점할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구결과는 소재분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 지난 1월호 표지논문으로 게재됐다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com