전기연, 고효율 리튬 저장체 개발로 리튬이온전지 단점 해결

기존 전지 저장용량 10배↑…대량 생산 가능

기존 리튬이온전지 단점 해결은 물론 안전성, 성능 향상, 대량 생산이 가능한 리튬금속전지용 고효율 리튬 저장 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

9일 한국전기연구원에 따르면 이 기술 개발은 연구원내 차세대전지연구센터 선임연구원 김병곤 박사, 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업 이상민 박사 등 공동으로 이뤄졌다.

기존 리튬이온전지는 흑연으로 이루어진 음극에 리튬 이온을 탈·삽입하여 에너지를 내는 구조로 흑연 자체의 무게와 부피로 인해 높은 저장 에너지를 확보하는 데에 큰 한계가 있었다.

이를 대체하는 리튬금속 자체를 음극으로 사용하는 '리듐금속전지'는 기존 흑연(372mAh/g) 음극과 대비 저장용량이 10배 이상(3860mAh/g) 높아 전기차 등 대용량 전지가 필요한 분야에서 큰 관심을 받았다.

하지만 리튬금속 역시 충·방전을 거듭할수록 나뭇가지 모양의 수지상 결정(dendrite)이 형성돼 부피가 커지고, 전지의 수명 저하와 화재·폭발 등의 위험성으로 이어진다는 치명적인 문제를 가지고 있다.

또 구조체 자체가 가지는 전도성으로 인해 리튬이 내부에 균일하게 저장되지 않고 구조체 상단에만 전착되어 효율성이 매우 떨어짐, 대량생산 관점에서도 어려움을 겪고 있었다.

KERI 김병곤 박사는 이러한 문제를 해결하기 위해 '금’ 나노 입자 내부에 소량(무게 비 1%) 포함된 ‘코어-쉘(Core-Shell)’의 리튬을 선택적으로 저장하는 리튬 전·탈착 효율을 향상시키는 방식을 활용한 ‘탄소 나노 파이버’를 제작했다.

금 나노 입자는 리튬 친화성 특성으로 인해 구조체 내부에서 리튬이 전·탈착되도록 도와주고 구조체 외부에 수지상 결정이 성장하는 것도 억제하는 것으로 확인됐다.

특히 ‘전계방사법(electrospinning)’이라는 합성법을 통해 대량 생산이 가능하다는 측면에서 실용성이 매우 크다.

▲한국전기연구원 리튬금속전지용 리듐 저장 연구팀(왼쪽부터 이상민 박사, 김병곤 박사, 강동원 연구원).ⓒ한국전기연구원

김병곤 KERI 선임연구원은 “이번 기술은 차세대 이차전지로 손꼽히는 리튬금속전지 상용화의 관건인 ‘고효율 리튬 저장체’를 대량으로 생산할 수 있는 측면에서 의의가 있다"고 말했다.

이어 "앞으로 꾸준한 연구를 통해 현재의 개발품보다 더 향상된 성능을 보이는 리튬 저장체를 개발하겠다”고 덧붙였다.

KERI는 향후 고용량 배터리가 필요한 전기차나 드론, 전력저장장치(ESS) 등 분야에 적용될 수 있을 것으로 보고 있다.

이번 연구 논문은 저널인용지표(JCR) 상위 2.8% 국제학술지인 ‘케미컬엔지니어링저널'에 게재됐다.