대구경북과학기술원 이종원 교수
덴드라이트 현상 방지 기술 개발
배터리 수명 향상·효율개선 기대


국내 연구진이 리튬금속 배터리가 실용화되는데 걸림돌이었던 부풀어 오르는 '덴드라이트' 현상을 방지하는 기술을 개발했다. 연구진은 향후 이 기술로 리튬금속 배터리가 실용화돼 리튬이온 배터리를 대체할 수 있을 것이라고 전망했다.

한국연구재단은 대구경북과학기술원 이종원 교수가 차세대 리튬금속전지의 수명을 향상시킬 리튬저장체 설계 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 연구진은 전기차 등에 쓰이는 리튬이온 배터리보다 용량을 10배 이상 늘릴 수 있어 고효율 리튬전지를 만드는데 도움이 될 것이라고 전망했다.

리튬금속배터리는 음극 재료를 리튬금속을 이용한다.

배터리를 충전할때 양극에 있던 리튬이온들이 음극으로 이동하는데 음극의 작은 구멍이나 표면에 고르게 붙는게 아니라 나무가 자라듯 한 곳에 뭉쳐 솟아 오른다. 최악의 경우 음극의 리튬이 자라 양극에 닿을 경우 폭발할 수도 있다.

연구진은 전기화학 시뮬레이션을 통해 3차원 구조체에서의 방전했다가 충전때 리튬저장 원리를 찾아냈다. 충·방전 수명을 향상시킬 수 있는 '표면활성 구배형' 전극설계 기술을 개발한 것이다.

표면활성 구배형 전극은 리튬이온 저장이 음극의 맨 바깥부분부터 균일하게 진행되는 것을 전기화학 시뮬레이션을 통해 예측했다. 연구진은 시뮬레이션 결과를 검증하기위해 리튬금속배터리를 만들었다. 충전과정 중 음극의 아랫부분부터 리튬이 저장되고, 방전과정 중 음극 윗부분부터 리튬이온이 떨어져나가는 과정을 확인했다.

연구진은 이 기술이 실용화된다면 높은 에너지밀도의 리튬금속 배터리 수명을 향상시켜 전기차, 에너지저장시스템 등의 기술 발전과 보급에 기여할 수 있을 것으로 판단했다.

이종원 교수는 "이번 연구에서 증명된 소재 및 전극 설계 기술을 적용해 실제 리튬금속 배터리의 요구사양에 부합하는 소재 합성 및 성능 개선에 대한 후속 연구를 진행 중"이라고 말했다.

이번 연구는 경희대학교 박민식 교수, 호주 울런공대학교 김정호 교수 연구팀이 이종원 교수와 함께 진행했으며 에너지 분야 국제학술지 'ACS 에너지 레터스'에 1일 온라인 게재됐다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자

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