차세대 리튬이온전지 수명 3배 늘리는 음극재 개발

한국화학연구원, 화학소재연구본부 연구팀
리튬금속 안정적으로 음극재 쓰는 방법 찾아

차세대 리튬이차전지의 성능과 안정성을 확보하는 새로운 리튬 복합소재를 개발한 화학연 이차전지 연구팀./한국화학연구원

국내 연구진이 차세대 리튬이차전지의 핵심 소재인 리튬 성장을 안정화하는 기술을 개발했다. 기존 소재 대비 수명이 3배 이상 우수하다.

한국화학연구원은 김도엽 화학소재연구본부 책임연구원 연구팀이 이차전지에 쓸 수 있는 새로운 리튬 복합소재를 개발했다고 5일 밝혔다. 안정성을 높인 새로운 리튬 복합소재는 향후 리튬금속전지, 리튬황전지, 리튬공기전지 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

리튬이온전지 음극재는 흑연을 주로 사용한다. 하지만 흑연은 에너지 밀도가 낮고, 이론 용량도 적어서 한계가 있다. 연구자들은 리튬금속이 차세대 리튬 이차전지의 가장 이상적인 음극재로 보고 있다.

문제는 리튬금속을 음극재로 쓰면 안정성이 떨어지고, 심할 경우 전지가 폭발할 가능성도 있다는 점이다. 리튬이차전지는 충전 시 양극에서 음극으로 리튬이온이 이동해 전기에너지를 저장한다. 흑연을 음극재로 쓰면 리튬이온이 흑연의 층상구조 내에 들어가 안정적으로 저장되는 반면, 리튬금속을 사용하면 리튬이온이 리튬금속 표면에 리튬으로 바뀌면서 쌓이게 된다.

이때 리튬이 고르게 자라나지 못하고 국소적으로 성장해 나뭇가지처럼 자라는 리튬 덴드라이트(dendrite)가 발생하거나 전해액 분해를 가속해 전지의 성능을 떨어뜨리기도 한다. 심한 경우 분리막을 뚫고 자라나 양극과 접촉하는 쇼트 현상이 일어나 폭발할 가능성도 있다.

화학연 연구팀은 이온전도성이 높고 덴드라이트를 잘 억제할 수 있는 소재를 최초로 개발했다. 리튬을 고르게 성장시키면서 리튬이온도 전달하는 새로운 이차전지 음극 복합소재를 만든 것이다.

연구진은 리튬이온을 잘 전달할 수 있는 소재(Al-LLZO)를 리튬금속과 물리적으로 섞는 방식으로 새로운 복합소재를 만들었다. 이 소재는 일반 리튬금속에 비해 리튬 덴드라이트 성장이 확연히 줄어들었고, 전지의 수명이 3배 이상 늘었다. 일반 리튬금속을 적용하면 70회 충·방전 이후 용량 감소율이 커지는 반면, 개발된 소재를 적용하면 250회 충·방전 후에도 급격한 용량 감소 없이 안정적으로 작동했다.

이영국 화학연 원장은 “이번 연구를 통해 개발한 기술은 차세대 이차전지 핵심 소재 기술로, 이차전지 시장에서 기술 우위를 확보하고 차세대 이차전지 시장을 선점할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

참고자료

Advanced Functional Materials(2023), DOI : https://doi.org/10.1002/adfm.202308103

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