조원일 KIST 박사

국내 연구진이 현재 널리 쓰이는 리튬이온전지 보다 에너지밀도가 10배 가량 높은 2차전지의 상용화를 앞당길 핵심 소재를 개발했다. 전기자동차, 에너지저장장치(ESS) 등의 에너지 저장 용량을 대폭 늘릴 수 있는 전기를 마련했다는 평가다.

한국과학기술연구원(KIST)은 조원일 에너지저장연구단 박사팀이 리튬금속전지 상용화의 최대 걸림돌인 물리화학적 불안정성을 제거할 리튬·알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발했다고 17일 밝혔다.

리튬금속전지는 현재 널리 쓰이는 리튬이온전지보다 이론상 에너지 밀도가 10배 가량 더 높지만 음극재의 불안정성 때문에 상용화 단계로 진입하지 못했다. 리튬금속전지는 음극재로 리튬금속을 사용한다. 리튬금속은 현재까지 쓰인 음극물질 중 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있다. 산화 환원 전위도 매우 낮아 경량화, 대용량화가 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재로 기대를 모았다.

그러나 리튬금속 표면에서 발생하는 덴트라이트로 인해 전극 단락과 폭발 가능성이 제기되면서 상용화에 어려움을 겪었다. 덴드라이트는 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정을 말한다. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다. 흑연 음극을 사용하는 리튬이온전지가 먼저 상용화된 것도 이 때문이다.

리튬-알루미늄 합금을 적용한 인공 고체-전해질

연구진은 리튬금속전지 음극재 안정성을 높이기 위해 알루미늄을 활용했다. 기존 순수 리튬금속을 리튬·알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 줄였다. 또 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS) 기반의 초박막 인조보호막을 형성해 전지 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴트라이트 형성을 억제했다.

초박막 인조보호막은 각 전극과 전해액 사이에 일어나는 반응을 제어하기 위해 양극 혹은 음극 표면에 인위적으로 만들어준 수천 나노미터 두께의 얇은 층이다. 연구진은 이황화몰리브덴과 리튬·알루미늄 합금으로 인조보호막을 제작할 경우 그래핀 등 소재로 제작하는 것보다 가격을 크게 낮출 수 있다고 설명했다.

연구팀은 이와 함께 리튬금속전지 전해질 시스템을 최적화해 리튬이온전지 대비 수명을 두 배 이상 끌어올렸다고 밝혔다.

조원일 KIST 박사는 “리튬이온전지의 에너지 밀도 개선은 점차 한계에 다다르고 있다”면서 “이번 성과가 고용량 전지를 필요로 하는 드론, 자율주행차, ESS 분야 발전으로 이어지질 기대한다”고 말했다.

최호기자 snoop@etnews.com

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