차세대 '리튬금속전지', 간단 처리만으로 수명 3배 증가

엄광섭 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 교수(왼쪽)와 논문 제1저자인 김수빈 박사과정생. GIST 제공

한국과 미국 공동연구팀이 차세대 이차전지로 주목받는 리튬금속 전지의 안정성과 수명을 간단한 방법으로 크게 늘리는 데 성공했다.

광주과학기술원(GIST)은 엄광섭 신소재공학부 교수팀이 톰 풀러 미국 조지아공대 화학공학과 교수와의 공동연구를 통해 리튬금속 전지에서 음극의 고질적인 수지상 결정 성장 문제를 해결하고 안정성과 수명을 향상시키는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다. 연구결과는 지난 8월 19일 국제학술지 '스몰 스트럭쳐스(Small Structures)'에 공개됐다.

전기자동차 등에 전 세계적으로 널리 쓰이는 리튬이온 전지는 음극 소재로 흑연(C)을 사용한다. 음극은 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 전류를 흐르도록 하며 전지 충전 속도, 수명에 중요한 역할을 한다. 흑연 소재는 현재 이론적인 한계 용량에 거의 도달한 것으로 알려져 전지의 용량을 늘리려면 새로운 음극 소재 개발이 필요한 상황이다.

금속 리튬은 흑연보다 이론적으로 10배 높은 무게당 에너지 용량을 구현할 수 있다. 하지만 금속 리튬을 음극 재료로 사용하면 충·방전 과정에서 음극 표면에 리튬이 불규칙하게 쌓이며 뾰족하게 자라나는 '수지상 결정(dendrite)' 현상이 생긴다. 

수지상 결정이 자라나면 양극과 음극을 분리하는 분리막을 뚫고 전지의 단락이 일어나기도 하고 전지 내부 압력이 증가하는 등 안전성과 내구성 문제가 생겨 리튬금속 전지 상용화의 걸림돌이 된다.

한국과 미국 공동연구팀이 개발한 전해질 첨가제와 전기화학적 표면처리법를 이용한 리튬음극 제작법 개발 모식도(위)와 성능 테스트 비교 결과(아래). GIST 제공

연구팀은 전지 전해질에 첨가제로 쓴 티오요소(Thiourea)의 산화를 유도해 음극 표면에 구리 황화물(Cu2S)을 형성시켰다. 구리황화물은 리튬이 음극에 골고루 증착되도록 유도해 뾰족한 수지상 결정 형성을 억제했다.

연구팀이 개발한 음극을 적용해 리튬금속 전지를 만들고 성능을 테스트한 결과 같은 방식의 기존 리튬금속 음극보다 수명이 3배 이상 증가한 것으로 나타났다. 첨가제의 가격이 저렴하고 제작 과정이 단순하기 때문에 다른 공정과 비교해 비용과 시간을 아낄 수 있다는 것도 장점으로 꼽힌다.

엄광섭 교수는 "외부 공정 추가 없이 배터리 셀 내부에서 간단한 전기화학 처리만으로도 리튬금속 전지의 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 방법론"이라며 "리튬금속 전지의 안정성과 수명을 개선한 방법 중 비용과 시간을 가장 쉽게 줄일 수 있을 것"이라고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/sstr.202400254

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]