"이차전지 수명 3배로"... 화학연, 리튬소재 개발

화학연, 리튬 성장 안정화하는 '복합소재' 개발
리튬 덴드라이트 성장 억제..수명 3배 이상 증가

한국화학연구원은 리튬의 성장을 안정화해 기존보다 안전하면서 수명이 3배 이상 우수한 리튬 복합소재를 개발했다. 화학연 제공

화학연이 개발한 리튬 복합소재를 음극재로 적용해 리튬 덴트라이트 성장을 억제한 모습. 화학연 제공

차세대 리튬이온전지의 성능과 안정성을 높일 수 있는 새로운 리튬복합소재가 개발됐다. 차세대 리튬이온전지로 주목받고 있는 리튬금속전지, 리튬황전지, 리튬공기전지 등에 활용할 수 있을 전망이다.

한국화학연구원은 김도엽 박사 연구팀이 리튬의 성장을 안정화해 기존보다 안전하면서 수명이 3배 이상 우수한 이차전지 소재를 개발했다고 6일 밝혔다.

리튬이온전지의 음극재는 경제성과 안전성 측면에서 주로 흑연을 쓴다. 흑연은 리튬금속에 비해 에너지 밀도가 낮고 용량이 적을 뿐 아니라 부피도 크다. 이 때문에 리튬금속이 차세대 리튬이차전지의 가장 이상적인 음극재로 알려져 있다.

리튬이차전지는 충전 시 양극에서 음극으로 리튬이온이 이동해 전기에너지를 저장하게 된다. 그런데 리튬이온전지는 양극에서 음극으로 이동하는 리튬이온이 흑연의 층상구조 안으로 들어가 안정적으로 저장되는 반면 리튬금속전지에서는 리튬이온이 음극인 리튬금속 표면에 쌓여 리튬으로 바뀌는 문제가 있다.

이때 리튬이 고르게 자라지 못하고, 국소적으로 성장해 나뭇가지 모양으로 자라나는 '리튬 덴드라이트'(수상돌기) 현상이 발생한다. 이는 전해액 분해를 가속해 전지의 성능을 떨어뜨리거나 심한 경우 분리막을 뚫고 자라나 양극과 접촉해 폭발할 가능성이 있다. 리튬금속을 음극재로 사용하는 차세대 리튬이차전지 개발을 위해선 이런 리튬 덴드라이트 성장을 억제하는 기술이 필수적이다.

연구팀은 이온 전도성이 높고, 덴드라이트를 잘 억제할 수 있는 소재를 도입, 리튬을 고르게 성장시키면서 리튬이온도 잘 전달하는 새로운 이차전지 음극 복합소재를 개발했다. 리튬이온을 잘 전달하는 소재를 리튬금속과 물리적으로 섞는 매우 쉬운 방법으로 복합소재를 제조하는 데 성공했다.

개발된 리튬복합 소재는 일반 리튬금속에 비해 리튬 덴드라이트 성장이 확연히 줄어 전지 수명이 3배 이상 증가한 것을 연구팀은 테스트를 통해 확인했다.

또한 일반 리튬금속은 70회 충방전한 이후 용량 감소율이 커지는데, 개발된 소재를 적용하면 250회 충방전 후에도 급격한 용량 감소 없이 안정적으로 구동했다. 리튬금속전지와 리튬황전지에 새 복합소재를 적용했을 때 전지 수명이 크게 개선됐고, 대면적 파우치 셀에서도 안정적인 충방전 특성을 보였다.

연구팀은 최근 과기정통부가 선정한 '글로벌 톱 전략연구단' 사업과 연계해 개발된 리튬 복합소재의 고성능 및 대면적화를 위한 공정 기술 개발을 추진할 예정이다.

이영국 화학연 원장은 "리튬 복합소재는 급격하게 성장하는 리튬 이차전지 시장에서 기술 우위를 확보하고, 차세대 리튬이차전지 시장을 선점에 큰 기여를 할 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(1월호)'에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr