KBSI, 고에너지 리튬 이온 금속 하이브리드 음극 열화 개선 기술 개발

실시간 전도성 인공 고체 전해질 계면층 형성 기술 개발

형태적 특징의 도식적 설명 (왼쪽부터) Ag@SC-High, Ag@SC-Low, SC, 및 Cu 포일의 충전/방전 쿨롱 효율 비교, 그리고 해당 초기 갈바노스타틱 충전 곡선. ⓒ한국기초과학지원연구원

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 고에너지 리튬 이온 금속 하이브리드 음극 열화 개선 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

김해진 KBSI 소재분석연구부 박사 연구팀은 충전 중 리튬금속 석출로 인한 음극 열화를 방지하기 위해 고체 전해질 계면(Solid Electrolyte Interphase, SEI)층에 Ag 나노점을 고정해, 전기적 접촉을 유지하는 방법으로 리튬금속과 탄소의 하이브리드 음극소재에서 높은 전류 효율과 장기 안정성 성능을 개선하는 효과가 있음을 증명했다.

이번에 개발한 리튬 이온 금속 하이브리드 음극물질은 안정적인 금속 기반 고에너지 음극을 개발하기 위한 SEI층 연구에 새로운 전환점을 제공할 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

리튬 금속은 이차전지의 높은 에너지 밀도를 달성하기 위한 궁극의 음극 물질로 간주된다. 이론상으로 최고 용량(3860 mAh/g)은 오늘날 상업화된 이차전지에서 가장 많이 사용되는 흑연 음극(370 mAh/g)보다 10배 이상의 비특정 용량을 제공한다.

그러나 리튬 금속 음극은 큰 부피 변화, 셀의 단락과 관련된 열 폭주 및 불안정한 쿨롱 효율(Coulombic Efficiency, CE)과 관련된 낮은 순환 안정성과 같은 치명적 문제점이 있다.

연구진은 리튬 석출 및 박리 과정 중 큰 부피 변화로 인해 탄소 기반 호스트 재료 사이의 전기적 접촉이 끊어지는 것이 하이브리드 음극의 성능 저하의 주요 원인이라는 가정에서 리튬 금속 음극의 전체 용량과 순환 안정성 사이의 균형을 맞추기 위해 하이브리드 리튬 이온 및 금속 음극 시스템을 제안했다.

그 결과 고용량 리튬 이온 금속하이브리드 음극의 열화는 주로 큰 부피 변화로 인한 구조적 변형 때문이란 사실을 밝혀냈다.

이번 연구에서는 구형 탄소(Spherical Carbon) 호스트 재료를 사용한 리튬 이온 및 하이브리드 음극의 사이클 안정성을 조사했다.

구조 변형으로 인해 탄소 호스트는 전기적 비활성화가 발생해 그들이 전기적으로 분리되는 현상을 관찰해 용량 감소는 리튬화 및 탈리화 과정 중 음극의 구조적 변형으로 인해 탄소 호스트의 전기적 비활성화를 초래해 전기적 접촉을 잃게 만든다는 원인을 밝혀 냈다.

이러한 원인을 해결하기 위해 연구진은 SEI층에 은 나노입자를 고정해 이러한 접촉 손실을 억제하는 방법을 확보했다.

은 나노입자의 고정 방법을 통해 구형 탄소에서 석출된 리튬 금속 표면에 생성된 고체 전해질 계면(SEI) 층은 탈리화후에도 서로 인접하게 유지될 가능성이 있으며, 전기 전도성을 가질 경우 큰 부피 변화로 인해 물리적으로 분리된 탄소 호스트 사이의 전자 전달 경로 역할을 할 수 있다는 사실을 증명했다.

KBSI 연구진은 “음극에 리튬이 석출되는 상황에서 전극이 열화되는 메커니즘을 규명하고 충방전 중 음극 활물질 표면에 발생하는 SEI층에 전도성을 부여함으로써 전극의 열화를 예방할 수 있다는 새로운 발견을 했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 이번 발견을 응용해 급속충전 시 발생하는 음극내 리튬 석출로 인한 전극의 열화 현상 개선 관련 후속 연구를 진행하고자 한다”고 밝혔다.