리튬이온 음극 소재 ‘흑연’보다 용량 높은 리튬금속
충전 시 생기는 부산물 차곡차곡 쌓는 구조체 개발

기존 리튬금속 배터리(위)는 작동 시 전극 표면에 부산물(리튬 결정)이 불규칙하게 쌓여 성능을 떨어뜨렸다. 연구팀은 전극 아래쪽부터 부산물을 차곡차곡 저장하는 3차원 구조체(아래)를 개발해 문제를 해결했다./한국연구재단 제공

차세대 전기차 배터리 후보로 꼽히는 ‘리튬금속 배터리’의 성능저하 문제를 해결할 기술이 국내에서 개발됐다.

한국연구재단은 이종원 대구경북과학기술원(DGIST) 교수, 박민식 경희대 교수, 김정호 호주 울런공대 교수 공동 연구팀이 리튬금속 배터리의 수명을 늘릴 ‘3차원 리튬저장체 설계 기술’을 개발했다고 14일 밝혔다.

리튬금속 배터리는 현재 널리 쓰이고 있는 리튬이온 배터리의 음극 소재를 흑연에서 리튬 금속으로 바꾼 형태다. 리튬 금속의 이론적인 용량은 1그램당 3860밀리암페어시(mAh)로, 흑연(372mAh/g)보다 10배 높다. 전기차 등에 적용 시 배터리 수명을 크게 늘릴 것으로 예상된다.

하지만 배터리 작동 시 전극 주변에 나뭇가지 모양의 리튬 결정(리튬 수지상)이 부산물로 발생해 성능을 떨어뜨리는 문제가 있다. 연구팀은 3차원 구조체를 만들어 내부에 부산물을 저장할 수 있는 기술을 개발했다. 특수한 설계를 통해 부산물이 전극 아래쪽부터 차곡차곡 쌓이게 함으로써 배터리의 성능을 유지할 수 있게 됐다.

연구팀은 리튬이온 배터리보다 높은 에너지밀도와 긴 수명을 갖는 고효율 리튬금속 배터리를 구현하는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 이 교수는 "실제 리튬금속 배터리에 맞는 소재를 합성하고 성능을 개선하기 위한 후속 연구를 진행 중"이라고 말했다.

연구성과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 지난 1일 게재됐다.

김윤수 기자(kysme@chosunbiz.com)

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