GIST-현대차, 리튬 배터리 '폭발' 해결...성능은 2배 ↑

코팅 등으로 3차원 고분자 구조체 만들어 음극재로 활용

(지디넷코리아=박희범 기자)국내 연구진이 리튬금속전지의 고질적인 배부름(스웰링)과 폭발 현상을 해결할 수 있는 방법을 찾았다. 전지 성능도 2배 이상 개선했다.

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 신소재공학부 엄광섭 교수팀이 현대자동차 배터리연구팀과 함께 고에너지 리튬금속전지의 고질적인 부피팽창 문제를 해결하고, 충방전 내구성을 향상시키는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

리튬 음극 소재를 흑연에서 리튬 금속으로 대체한 리튬금속전지는 이론적으로 리튬이온전지 대비 10배 더 높은 음극 용량을 구현할 수 있다.

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

그러나 리튬금속전지는 충·방전이 계속되면 리튬 수지상 결정이 성장하면서 분리막을 뚫고 나와 전지 단락 및 리튬 도금을 일으키고, 부피 팽창과 함께 배터리가 부풀어 오른다. 내부 압력이 증가하면서 폭발 위험도 발생한다.

리튬수지상결정은 충전과정에서 리튬이 도금반응을 일으켜 뾰족한 수지상 결정 모양으로 성장하는데, 이를 나뭇가지처럼 뾰족한 모양이라고 해서 덴드라이트라고 부른다.

연구팀은 우선 후라이팬 코팅제 등으로 쓰이는 폴리테트라플루오로 에틸렌(Polytetrafluoro ethylene)으로 다공성 구조를 설계했다. 간단한 자가-고분자화 반응을 통해 3차원 구조체 표면에 폴리도파민(Polydopamine)을 코팅했다.

폴리도파민은 홍합에서 유래한 접착제의 일종이다.

연구팀은 "이 구조체를 리튬금속 음극으로  활용한 결과, 기존의 구리 대비 2배 이상의 에너지 밀도와 2배 정도의 수명을 갖는 리튬금속전지를 만드는 데 성공했다"고 밝혔다.

GIST 신소재공학부 엄광섭 교수(왼쪽)와 조진현 석박사통합과정생.

기존의 구리 집전체는 60회 충·방전 사이클부터는 발현 용량이 거의 0에 가깝다. 반면 새로 개발한 3차원 고분자 구조체를 도입한 리튬금속 음극은 75회 충·방전 사이클 이상에서도 초기 용량 대비 90% 이상의 안정적인 성능을 보였다.

특히, 고분자 구조체를 활용한 연구팀의 NCM(니켈·코발트·망간) 양극 기반 리튬금속전지는 기존 리튬이온전지보다 2배 이상 큰 최대 801 Wh/L의 방전 기준 에너지 밀도를 보였다는 것이 연구팀의 설명이다.

조진현 신소재공학과 석박사통합과정생(4년차, 논문 제1저자)은 "자가-고분자화 과정을 통해 간단히 고분자 코팅을 할 수 있다"며 "모든 종류의 다공성 구조체에 적용시킬 수 있을 것"으로 기대했다.

엄광섭 교수는 “충·방전 동안에 일어나는 불균형한 돌기 형성과 그로 인한 부피 팽창 문제를 해결할 수 있는 새로운 대안을 제시한 것"이라고 말했다.

연구는 현대엔지비(NGV)를 비롯한 한국연구재단, GIST 중앙기기연구센터(GAIA)의 지원을 받았다.

연구 성과는 화학공학 분야 국제 학술지 ‘화학 공학 저널(Chemical Engineering Journal) 온라인(6월22일자)에 게재됐다.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)