한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 김희탁 생명화학공학과 교수(차세대이차전지인력양성센터장)팀이 음극재가 없는 고에너지밀도 리튬 배터리 구동을 위한 음극 집전체 구조를 개발하고, 그 작동원리를 규명했다고 7일 밝혔다.
음극재가 없는 리튬 전지는 큰 부피와 무게 비중을 차지하는 흑연 음극재를 없앤 차세대 구조 전지다. 음극 활물질을 저장해두는 구리 집전체만이 음극 부품으로 들어가며, 집전체 위에 높은 에너지밀도를 가지는 리튬 금속 형태로 에너지가 저장된다. 기존 리튬이온전지와 비교해 60% 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다는 점 때문에 산업계와 학계에서 활발하게 연구가 진행되고 있다.
하지만 리튬 이온이 리튬 금속 형태로 음극에 저장될 경우 지속적으로 리튬 손실이 발생하며 충방전 효율을 크게 떨어뜨리는 문제가 발생한다. 리튬 부식과 동시에 구리 표면에서 전해액이 분해되는 갈바닉 부식이 발생한다.
김희탁 교수는 3차원 음극 집전체 표면 일함수(고체의 표면에서 전자를 빼내는 데 필요한 에너지)를 높여 리튬 수지상 성장을 억제하고 집전체 표면에서 리튬과 전해액의 부식을 억제할 수 있음을 규명하고 음극재 없는 리튬전지의 구동이 가능함을 검증했다.
연구팀은 개발된 집전체를 통해 기존 구리 집전체 대비 월등하게 높은 성능을 보여줬고, 동시에 극미량의 전해액만이 전지 내에 주입되는 희박 전해액 환경에서도 구동할 수 있음을 확인했다.
김희탁 교수는 “이번 연구결과는 리튬 배터리의 궁극적 형태인 음극재 없는 리튬 배터리의 구현을 위한 집전체 설계 방향을 새롭게 제시했다는 점에서 중요한 의미가 있다”며 “이를 바탕으로 다양한 차세대 리튬 전지의 음극 설계에 응용되기를 기대한다”고 말헀다.
이번 연구는 LG에너지솔루션, KAIST 나노융합연구소, 과학기술정보통신부 기후변화대응과제 지원을 받아 수행됐다.