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리튬이온전지보다 에너지 밀도 높은 리튬금속전지 안정성 높였다

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리튬이온전지보다 에너지 밀도 높은 리튬금속전지 안정성 높였다

2019.11.17 12:00
이황화몰리브덴 기반의 인조보호막 소재가 전사된 음극재(왼쪽)와 리튬- 알루미늄 합금에 초박막 인조보호막이 적용된 음극재를 활용한 파우치 형태의 리튬 금속전지 실물. KIST 제공.
이황화몰리브덴 기반의 인조보호막 소재가 전사된 음극재(왼쪽)와 리튬- 알루미늄 합금에 초박막 인조보호막이 적용된 음극재를 활용한 파우치 형태의 리튬 금속전지 실물. KIST 제공.

국내 연구진이 올해 노벨 화학상 수상에 빛나는 리튬이온전지보다 이론상 에너지 밀도가 10배 가량 높다고 알려진 리튬금속전지의 안정성을 높이는 기술을 개발했다.  

 

한국과학기술연구원(KIST)은 조원일 에너지저장연구단 책임연구원 연구팀이 리튬금속전지의 물리화학적 불안정성을 제거할 리튬-알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발했다고 17일 밝혔다. 전해질 시스템을 최적화해 기존 리튬이온전지보다 수명을 2배 끌어올리는 데도 성공했다. 

 

리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 전지다. 음극 물질 중 에너지 밀도가 높아 경량화 및 대용량화가 필요한 이차전지에 적합한 소재로 알려졌다. 그러나 리튬금속 표면에서 발생하는 ‘덴드라이트(dendrite)’로 인해 전극 단락과 폭발 가능성이 제기돼 흑연 음극을 사용하는 리튬이온전지가 먼저 상용화됐다. 덴드라이트란 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정으로, 전극의 부피가 팽창하거나 전지의 안정성을 떨어뜨린다.

 

연구진은 쉽게 구할 수 있는 알루미늄에서 문제 해결의 실마리를 찾았다. 리튬-알루미늄 합금으로 리튬금속 음극을 대체해 불안정성을 제어했다. 또 음극 표면에 이황화몰리브덴 기반의 초박막 인조보호막을 형성해 전지 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴드라이트 성장을 억제했다. 

 

조원일 책임연구원 연구팀은 지난해 이미 그래핀 계열의 나노 소재를 리튬금속 표면에 고르게 입히는 방식을 통해 인조보호막 기술의 성능과 안정성을 입증했다.

 

연구팀은 이번 연구에서 지난해 개발한 초박막 인조보호막의 양산 가능성을 확보하기 위해 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮추고 제조공정 단순화 및 전지 안정화를 시도해 덴드라이트 성장을 억제하고 리튬금속전지의 상용화 가능성을 높이는 데 성공했다. 

 

조원일 책임연구원은 “차세대 이차전지로 꼽히는 리튬금속전지를 안정화할 방안을 제시했다”며 “고용량 전지가 필요한 드론이나 전기차, 에너지저장시스템(ESS) 발전에 기여할 수 있기를 기대한다”고 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 최신호에 게재됐다. 
 

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