우리 연구진이 에너지저장장치(ESS) 등 대용량전지 분야에서 주목받고 있는 '리튬 금속 전지' 수명을 획기적으로 늘리는 방법을 고안했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 김일두 신소재공학과 교수와 임성갑 생명화학공학과 교수팀이 리튬이온전지 전해액 속에서 용매를 흡수해 부피가 늘어나는(팽윤) 초박형 공중합체 고분자 보호막으로 리튬 금속 전지 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다고 28일 밝혔다.
리튬 금속은 현재 상용 배터리에 쓰이는 '그라파이트'보다 10배나 고용량이지만 충·방전 도중 바늘 구조 침전물인 '리튬 덴드라이트'가 형성된 상태에서 상용화되는 문제로 어려움을 겪고 있다.
그동안 '고체전해질계면'(SEI) 층을 보호막처럼 만들어 이온 전달을 원활하게 하고, 덴드라이트 성장을 억제하는 다양한 연구가 진행됐다. 그러나 기존 인공 SEI 층들은 두꺼워 전지 내 높은 저항을 발생시키거나 수백 사이클 이상 구동 시 리튬 금속으로부터 음극 안정성 유지가 어려웠다. 더욱이 SEI 층 형성 과정에서 리튬이 손상되는 경우도 많았다.
[KAIST는 바늘 모양 구조인 덴드라이트 성장을 억제하고, 높은 안정성을 갖도록 하는 리튬 금속 이차전지 기술 개발]
연구팀은 '개시제 이용 화학기상증착법'(iCVD)을 이용해 고분자 보호막을 만들고, 리튬 전극 계면을 안정화했다. iCVD는 온화한 공정 조건으로 리튬 금속 표면에 손상을 가하지 않는다. 또 기능성 고분자 보호막을 얇고 균일하게 만들 수도 있다.
이 방법으로 만든 고분자 보호막은 3배나 팽윤되고 부드러운 SEI 구조체를 형성한다. 세계 최고 수준의 리튬 이온 운반율(0.95)과 이온 전도도(6.54) 특성도 보인다.
특히 100나노미터(㎚) 두께에서도 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 막을 수 있었다. 또 600사이클 이상 안정적으로 구동되는 세계 최고 수준의 안전성도 보였다.
임성갑 교수는 “기존 대비 6배 이상 수명 특성이 개선된 리튬 금속 전지 개발에 성공했다”고 밝혔다. 김일두 교수는 “고용량 리튬 이차전지뿐만 아니라 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지 등 차세대 이차전지에도 사용되는 리튬 음극 상용화를 앞당기는 데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 졸업생인 배재형 박사(현 경희대 화학공학과 교수), 최건우·송현섭 KAIST 박사과정이 공동 제1저자로 참여했다. 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 온라인호에 3월 8일자로 출판됐고, 표지논문으로도 선정됐다.
연구는 KAIST-LG에너지솔루션 프론티어 리서치 랩(FRL)과 과학기술정보통신부 선도연구센터 지원사업(웨어러블 플랫폼 기술센터) 지원으로 수행됐다.