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더 강하게, 더 오래...드론 비행시간 2배 늘릴 새로운 전지기술 나온다

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2018년 09월 25일 00:00 프린트하기

KIST 김문석 연구원(왼쪽)과 KIST 조원일 책임연구원(오른쪽)이 개발한  리튬금속-이온전지를 드론과 LED 등에 테스트하고 있다. - 사진 제공 KIST
KIST 김문석 연구원(왼쪽)과 KIST 조원일 책임연구원(오른쪽)이 개발한 리튬금속-이온전지를 드론과 LED 등에 테스트하고 있다. - 사진 제공 KIST

“차세대 전지 연구에서는 습도가 낮은 환경이 아주 중요합니다. 다행히 한국과학기술연구원(KIST)에서 드라이룸 건설을 지원해줘서 잘 연구할 수 있었습니다. 그런데 어느날 정전 때문에 드라이룸의 습도가 올라갔습니다. 예상치 않은 전지의 성능 저하가 바로 드라이룸 관리에 따라 일어날 수 있음을 깨달았습니다.”


김문석 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 연구원과 조원일 책임연구원팀은 지금도 연구가 수포로 돌아갈 수도 있었던 그 순간이 생생하다. 다행히 젊은 연구원들이 드라이룸 재가동을 위해 헌신적으로 노력해 줬고, 덕분에 다시 안정적으로 드라이룸에서 연구를 계속할 수 있었다.

 

연구팀은 결국 성능 저하가 잘 안 되는, 수명이 3배 이상 긴 새로운 차세대 전지를 개발하는 데 성공했다. 용량도 기존보다 2배 이상 늘었다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처피직스' 25일자에 발표됐다. 김 연구원과 조 책임연구원은 “전지 개발에는 많은 자금과 인력이 소모되는 등 리스크가 큰데, 이렇게 빨리 결실을 얻은 데에는 보이지 않는 곳에서 노력해준 연구원들의 공이 컸다”고 말했다.

 

김 연구원과 조 책임연구원팀이 새로 개발한 전지는 ‘리튬금속-이온전지’다. 현재 스마트폰이나 노트북 등에 널리 쓰이고 있는 리튬이온전지에서는 음극 물질로 흑연을 쓰는데, 흑연 대신 리튬금속을 사용한 게 리튬금속-이온전지다. 연구팀은 리튬금속-이온전지가 흑연을 사용한 기존 리튬이온전지보다 에너지 저장 용량이 10배 이상 크다는 데에 주목했다. 차세대 전지로 사용할 가능성이 높았다. 하지만 리튬금속이 반응성이 높기 때문에, 표면에 나뭇가지 모양의 결정이 일어나면서 폭발하는 경우가 많다는 게 약점으로 꼽혔다.

 

연구팀이 리튬금속 표면을 코팅한 방법. 그래핀계 소재(a)를 먼저 붉은 구리 표면에 입힌다. 검게 변한 게 코팅된 구리다(b). 이를 다시 리튬 금속에 눌러 코팅을 옮겨 입힌다(c). 은색이 원래 리튬, 검은색이 코팅된 리튬이다. -사진제공 네이처 피직스
연구팀이 리튬금속 표면을 코팅한 방법. 그래핀계 소재(a)를 먼저 붉은 구리 표면에 입힌다. 검게 변한 게 코팅된 구리다(b). 이를 다시 리튬 금속에 눌러 코팅을 옮겨 입힌다(c). 은색이 원래 리튬, 검은색이 코팅된 리튬이다. -사진제공 네이처 피직스

김 연구원팀은 금속 표면에 반응성을 줄이는 막을 입히면 단점이 사라질 것으로 내다보고 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 수~수천nm(나노미터, 10억분의 1m) 두께로 코팅했다. 일종의 보호막인 셈이다. 또 양자역학 계산을 통해 최적의 전자를 전달하는 전지 내 물질인 '전해질'을 가장 적절히 배합하는 방법도 찾았다. 

 

연구팀은 이런 개량을 통해 구부려도 코팅이 벗겨지지 않는 안정적인 리튬금속 음극을 만드는 데 성공했다. 이 금속과 전해질을 사용한 전지는 1200회 이상 충전과 방전을 반복해도 성능을 80% 이상 유지했다. 기존에 존재하던 리튬금속-이온전지의 수명보다 3배 이상 긴 것이다. 단위부피당 저장된 에너지의 양을 의미하는 에너지밀도는 2배 이상 향상돼, 전지 자체의 성능도 높아졌다. 

 

연구팀은 이 전지로 고용량 장수명 전지를 만들 수 있게 됐을 뿐만 아니라, 관련된 리튬금속 음극 코팅 기술을 리튬-황전지나 리튬-공기전지 등 다른 차세대 전지 제작에도 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.


조 책임연구원은 “드론, 자율주행차, 무인잠수정 등 무인이동체 산업에 응용될 수 있을 것”이라며 “전지제조 회사와 협업해 후속 검증을 하고, 차세대전지 벤처가 활성화될 수 있도록 기술협력과 지원을 아끼지 않을 계획”이라고 말했다.

 

기존 리튬이온배터리(왼쪽), KIST 연구진이 개발한 리튬금속-이온전지(오른쪽). 에너지밀도 수치가 2배 정도 차이 난다. 드론의 프로펠러 속도 차이에서 에너지 출력 차이도 알 수 있다. -사진제공 KIST
기존 리튬이온배터리(왼쪽), KIST 연구진이 개발한 리튬금속-이온전지(오른쪽). 에너지밀도(맨 아래 수치) 수치가 2배 정도 차이 난다. 맹렬히 돌아가는 드론의 프로펠러를 봐도, 속도 차이가 크다. 에너지 출력 차이를 알 수 있다. -사진제공 KIST
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