GIST, 고에너지밀도 리튬금속전지 안정성 향상 기술 개발

엄광섭 신소재공학부 교수팀, 현대차와 공동 연구
에너지 밀도와 수명 2배 향상된 리튬금속전지 구현

폴리도파민 코팅 유무에 따른 리튬 금속 도금 형상 및 완전 셀 성능 비교. ⓒ광주과학기술원

광주과학기술원(GIST)은 엄광섭 신소재공학부 교수팀이 현대자동차 배터리연구팀과 함께 고분자가 코팅된 삼차원 절연 구조체를 음극에 도입해 고에너지 리튬금속전지 고질적인 부피팽창 문제를 해결하고, 충방전 내구성을 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다.

음극 소재를 흑연에서 리튬 금속으로 대체한 리튬금속전지는 이론적으로 리튬이온전지보다 10배 높은 음극 용량을 구현할 수 있다고 GIST 측은 설명했다.

연구팀은 리튬금속 배터리에서 폴리테트라플루오로 에틸렌(Polytetrafluoro ethylene)을 이용해 합리적인 다공성 구조를 설계했다. 간단한 자가-고분자화 반응을 통해 삼차원 구조체 표면에 폴리도파민(Polydopamine)을 코팅해 극성 작용기가 풍부한 삼차원 구조체를 만들었다.

개발된 삼차원 구조체 절연 특성이 리튬을 내부에서부터 도금하고, 풍부한 극성 작용기가 리튬 이온의 유량을 균질화해 수지상 결정 성장이 억제되는 효과를 보였다.

연구팀은 개발한 삼차원 고분자 구조체를 리튬금속 음극으로 활용한 결과, 기존의 구리 집전체 기반 리튬금속 음극보다 2배 이상 에너지 밀도와 2배 정도 수명을 갖는 리튬금속전지를 만드는 데 성공했다.

기존의 구리 집전체는 약 35회의 충방전 사이클 이후에서 급격하게 용량이 줄어들어 60회 충방전 사이클부터는 발현 용량이 거의 0에 가깝게 되지만, 새로 개발한 삼차원 고분자 구조체를 도입한 리튬금속 음극은 75회 충방전 사이클 이상에서도 초기 용량 대비 90% 이상의 이례적으로 안정적인 성능을 보였다.

특히 고분자 구조체를 활용한 연구팀의 니켈·코발트·망간(NCM) 양극 기반 리튬금속전지(고집적 NCM 양극, NP ratio(음극/양극 용량비율): 1.0)는 기존 리튬이온전지보다 두 배 이상 큰 최대 801 Wh/L의 방전 기준 에너지 밀도를 보였다.

동일한 전기차에 같은 크기 전지를 장착했을 때, 이번 연구에서 개발된 리튬금속전지는 두 배 이상의 에너지를 저장함으로써 주행거리를 크게 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다.

엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 기존 리튬금속전지의 고질적인 문제인 충․방전 동안에 일어나는 불균형한 돌기 형성(덴드라이트, dendrite)과 그로 인한 부피 팽창 문제를 해결할 수 있는 새로운 대안을 제시했다”며 “향후 안정성이 보장된 고에너지 리튬금속 전지를 차세대 전기자동차에 이용할 수 있게 된다면 전기자동차의 1회 충전 주행거리를 크게 향상시킬 수 있을 것”이라고 말했다.