이지영(왼쪽부터 시계방향) 아주대 교수, 송현섭 삼성전자 박사, 김일두 KAIST 교수 [KAIST 제공]

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리튬금속은 기존 상용 배터리의 성능 한계를 극복할 수 있는 차세대 음극으로 주목받아 왔다. 하지만 리튬금속 자체 문제로 배터리의 수명을 단축하고 화재 위험을 초래하는 문제가 있었다. 국내 연구진이 물을 사용해서 기존 리튬금속 음극보다 수명을 750% 향상시키는 획기적인 기술 개발에 성공했다.

KAIST는 김일두 신소재공학과 교수 연구팀이 이지영 아주대 화학공학과 교수 연구팀과 함께 친환경 공법으로 제조한 중공 나노섬유를 리튬금속보호막으로 사용, 리튬의 성장을 안정화하고 차세대 ‘리튬금속전지’의 수명을 늘리는 데 성공했다고 2일 밝혔다.

리튬 금속 표면에 보호막을 적용해 리튬금속과 전해액 간 계면을 인공적으로 조성하는 기존의 보호막 기술은 인체에 유해한 공정과 원가가 높은 재료를 필요로 하며 리튬금속음극의 수명을 높이는 데 한계가 있어왔다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘리튬이온 성장을 물리적·화학적 방법으로 제어할 수 있는 중공 나노섬유 보호막’을 제시했다.

이 보호막은 식물에서 추출한 친환경 고분자인 구아검을 주재료로 물 만을 사용한 친환경적인 전기방사 공법으로 제조됐다.

특히 나노섬유 보호막을 적용, 전해액과 리튬 이온 간의 가역적인 화학 반응을 효과적으로 제어했다. 또 섬유 내부의 빈 공간을 활용해서 리튬이온이 금속 표면에 무작위로 쌓이는 것을 억제함으로써 리튬금속 표면과 전해액 사이의 계면 안정화를 동시에 달성했다.

이 보호막을 적용한 리튬금속 음극은 연구 결과, 기존 리튬금속 음극보다 수명이 약 750% 향상됐으며, 300회의 반복적인 충·방전에도 약 93.3%의 용량을 안정적으로 유지하는 세계 최고 수준의 성능을 달성했다.

연구팀은 자연에서 얻어진 이 보호막이 흙에서 약 한 달 내에 완전히 분해됨을 입증, 보호막의 제조에서 폐기에 이르기까지 전 과정이 친환경적인 특성을 증명했다.

김 교수는 “물리적·화학적 보호막 기능을 모두 활용했기 때문에 더욱 효과적으로 리튬금속과 전해액 간의 가역적인 반응을 유도하고 수지상 결정 성장을 억제해 획기적인 수명 특성을 가진 리튬금속음극을 개발할 수 있었다”고 밝혔다.

이어 “급증하는 배터리 수요로 인해 배터리 제조와 폐기로 인한 환경부하 문제가 심각하게 대두되고 있는 상황에서, 물만을 사용한 친환경적인 제조 방법과 자연 분해되는 특성은 차세대 친환경 배터리의 상용화에 큰 기여를 할 것”이라고 기대했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 지난달 21일자 표지 논문으로 선정됐다. 구본혁 기자