(좌) 이황화몰리브덴 기반의 인조보호막 소재가 전사된 음극재, (우) 리튬- 알루미늄 합금에 초박막 인조보호막이 적용된 음극재를 활용한 파우치 형태의 리튬 금속전지 실물(KIST 제공)© 뉴스1

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(서울=뉴스1) 최소망 기자 = 국내 연구진이 기존 '리튬이온전지'보다 수명을 2배 가량 늘린 '리튬금속전지'를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 조원일 에너지저장연구단 박사팀이 리튬금속전지의 불안정성을 제거할 '리튬-알루미늄 합금 기반 음극재'를 개발했다고 17일 밝혔다. 개발된 음극제로 전지를 만들어 실험한 결과 수명은 기존 리튬이온전지 보다 2배 이상 길었다.

리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 전지이다. 리튬금속은 리튬이온 대비10배나 높은 에너지 밀도를 갖고 있지만 리튬금속 표면에서 결정이 성장하는 '덴트라이트' 현상 탓에 안전성, 수명, 폭발 가능성 등이 제기됐다. 이에 리튬금속전지보다 리튬이온전지가 먼저 상용화됐다. 그러나 리튬이온전지도 단위 무게당 에너지 밀도를 더 이상 확대되기 어려운 실정에 이르렀다.

이에 연구진은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄에서 문제의 해결 실마리를 찾았다. 기존 순수 리튬금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어했다. 또 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS ₂) 기반 초박막 인조보호막을 형성해 전지 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴트라이트 현상도 억제했다.

이번 연구에서는 초박막 인조보호막의 실제 양산성 확보를 위해 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮추는데 초점을 맞췄다. 또 복잡한 제조공정을 단순화하고 전지 안정화에 대한 부분도 연구를 진행했다.

조원일 박사는 "기존 리튬이온전지의 용량 한계가 예상되면서 리튬금속전지 개발이 탄력을 받고 있다"면서 "차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지를 필요로 하는 드론·자율주행차·에너지저장시스템(ESS) 등의 발전에 기여할 수 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 사이언스 어드벤스트(Science Advances) 최신호에 실렸다.
somangchoi@news1.kr

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