전기차 고질적 문제 해결, 주행거리 2배 이상 늘렸다

GIST, 삼차원 고분자 절연구조체 음극에 적용
부피팽창, 충방전 성능 저하 해결..주행거리 확대

광주과학기술원은 리튬금속전지의 에너지 밀도와 수명을 2배 이상 향상시켜 전기차 주행거리를 늘릴 수 있는 삼차원 고분자 절연 구조체를 개발했다. GIST 제공

엄광섭(왼쪽) GIST 교수와 조진현 박사과정생

차세대 전기차용 리튬 배터리로 주목받고 있는 리튬금속전지의 고질적인 부피 팽창을 해결해 주행거리를 늘릴 수 있는 기술이 개발됐다.

광주과학기술원(GIST)은 엄광섭 신소재공학부 교수 연구팀이 현대자동차 배터리 연구팀과 함께 리튬금속전지의 에너지 밀도와 수명을 2배 향상시켜 전기차 주행거리를 늘릴 수 있는 '삼차원 고분자 절연 구조체'를 개발했다고 16일 밝혔다.

기존 리튬이온전지의 음극 소재인 흑연은 이론적 한계 용량에 거의 도달해 에너지 밀도를 높이려면 용량이 더 높은 음극 소재 개발이 필요하다. 기존 음극 소재인 흑연을 리튬금속으로 대체한 리튬금속전지는 이론적으로 리튬이온전지보다 10배 높은 음극 용량을 구현할 수 있어 차세대 리튬전지로 각광받고 있다.

하지만, 리튬금속전지의 충전 과정에서 리튬 금속이 나뭇가지처럼 뾰족한 모양(덴드라이트)으로 성장해 전지 단락 현상으로 폭발 위험이 있고, 리튬의 도금 반응을 통해 부피 팽창이 일어나 충방전 시 효율과 수명이 떨어지는 문제가 있다.

연구팀은 리튬금속 배터리에서 폴리테트라플루오로 에틸렌을 이용해 폴리도파민이 코팅된 극성을 가진 삼차원 고분자 구조체를 만들었다. 이 삼차원 구조체는 절연 특성으로 리튬을 내부에서 도금하고, 리튬 이온을 균질화해 덴드라이트 성장을 억제해 구리 집진체 기반 리튬금속 음극보다 2배 이상의 에너지 밀도와 2배 향상된 수명을 가진 리튬금속전지를 구현했다.

실제, 삼차원 고분자 구조체를 적용한 리튬금속 음극은 75회 충방전 사이클 이상에서도 초기 용량 대비 90% 이상으로 안정적 성능을 보였다.또한 기존 리튬이온전지보다 2배 이상 큰 에너지 밀도를 기록했다. 동일한 전기차에 같은 크기의 전지를 장착했을 때, 두 배 이상의 에너지를 저장해 주행거리를 더 늘릴 수 있다는 것이다.

엄광섭 GIST 교수는 "기존 리튬금속전지의 고질적 문제인 충방전 동안에 일어나는 덴드라이트와 부피 팽창 문제를 해결하는 새로운 대안을 제시했다"며 "앞으로 전기차 1회 충전으로 주행거리를 크게 향상시킬 수 있을 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 화학공학 분야 국제 학술지 '화학공학 저널(지난달 22일자)' 온라인에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr