전기차 주행거리 늘릴 리튬금속전지 안정성 높였다

GIST, 현대차와 공동연구

에너지 밀도와 수명을 2배 향상시킨 리튬금속전지를 개발한 연구진. 왼쪽부터 광주과학기술원(GIST) 엄광섭 신소재공학부 교수, 조진현 박사과정생. 광주과학기술원(GIST) 제공

국내 연구진이 고에너지 리튬금속전지의 고질적인 부피팽창 문제를 해결하고 충방전 내구성을 향상시키는 기술을 개발했다. 연구팀은 에너지 밀도와 수명을 2배 향상시킨 리튬금속전지를 구현할 수 있다고 설명했다.

광주과학기술원(GIST)은 엄광섭 신소재공학부 교수 연구팀이 현대자동차 배터리연구팀과 함께 고분자가 코팅된 삼차원 절연 구조체를 음극에 도입해 고에너지밀도 리튬금속전지 안정성을 향상시키는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

음극 소재를 흑연에서 리튬 금속으로 대체한 리튬금속전지는 이론적으로 리튬이온전지보다 10배 높은 음극 용량을 구현할 수 있다. 하지만 리튬금속전지의 충·방전 중 리튬의 수지상 결정 성장이 일어나면서 분리막을 뚫고 전지의 단락을 일으키는 현상이 발생한다.

리튬이 도금되면서 부피 팽창이 일어나 배터리가 부풀고 내부의 압력이 증가하는 등 안전성 및 내구성의 문제 또한 상용화의 걸림돌이 되고 있다.

연구팀은 리튬금속 배터리에서 합성수지인 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 이용해 합리적인 다공성 구조를 설계했다. 간단한 자가-고분자화 반응을 통해 삼차원 구조체 표면에 폴리도파민을 코팅해 극성 작용기가 풍부한 삼차원 구조체를 만들었다.

개발된 삼차원 구조체의 절연 특성은 리튬을 내부에서부터 도금했다. 풍부한 극성 작용기가 리튬 이온의 유량을 균질화해 수지상 결정 성장이 억제되는 효과를 보였다.

연구팀은 이 삼차원 고분자 구조체를 리튬금속 음극으로 활용했다. 그 결과 기존 구리 집전체 기반 리튬금속 음극보다 2배 이상의 에너지 밀도와 2배 정도의 수명을 갖는 리튬금속전지를 만드는 데 성공했다.

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

간단한 자가-고분자화 과정을 통해 고분자 코팅을 할 수 있어 모든 종류의 다공성 구조체에 적용시킬 가능성이 확인됐다.

연구팀은 특히 이 고분자 구조체를 활용한 니켈-코발트-망간(NCM) 양극 기반 리튬금속전지는 기존 리튬이온전지보다 두 배 이상 큰 에너지 밀도를 보였다고 설명했다. 연구팀은 “동일한 전기차에 같은 크기의 전지를 장착했을 때 이번 연구에서 개발된 리튬금속전지는 두 배 이상의 에너지를 저장함으로써 주행거리를 크게 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다”고 말했다.

엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 기존 리튬금속전지의 고질적인 문제인 충․방전 동안에 일어나는 불균형한 돌기 형성(덴드라이트)과 이로 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 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘화학공학회지’에 지난달 22일 온라인 게재됐다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]