김병곤 전기硏 박사팀 연구성과 'ACS Nano' 표지논문 게재
[이투뉴스] 출력과 안정성 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있는 대용량 리튬금속전지 개발에 파란불이 켜졌다. 전기연구원(KERI, 원장 직무대행 김남균)은 김병곤 차세대전지연구센터 박사팀이 고속 충·방전 조건에서도 리튬의 전착과 탈착 효율이 향상된 리튬 저장체를 대량으로 생산하는 기법을 개발해 국제 저명 학술지 표지논문으로 게재했다고 29일 밝혔다.
차세대전지연구센터에 의하면 기존 리튬이온전지는 흑연 음극에 리튬 이온을 탈·삽입해 에너지를 내는 구조인 반면 리튬금속전지는 흑연 대신 리튬금속 자체를 음극으로 사용하는 전지다. 그램(g)당 저장용량이 372mAh인 흑연음극 대비 이론상 10배 이상(3860mAh) 에너지밀도가 좋아 전기차나 에너지저장장치(ESS) 등 대용량 전지분야서 큰 관심을 받고 있다.
문제는 수명과 안정성이다. 리튬금속전지는 충·방전 시 리튬금속을 효과적으로 저장하지 못하면 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하는 일명 ‘수지상 결정(dendrite)’으로 부피가 커져 화재·폭발이 일어날 수 있다. 연구원은 이 문제 해결을 위해 중공코어(Core) 다공성 쉘(Shell) 구조의 탄소 나노섬유를 개발했다. 중공코어 부분에 리튬 친화성 물질인 금나노 입자를 첨가해 리튬을 코어 내부에 저장할 수 있도록 했다.
또 쉘 부분에 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있는 기공을 만들어 고속 충·방전에서도 리튬의 수지상 성장 없이 전·탈착 효율(Coulombic efficiency)을 크게 높일 수 있도록 했다.
김병곤 박사팀과 중앙대 문장혁 교수가 검증한 시뮬레이션 해석 결과에 따르면 고출력 조건에서도 쉘 기공과 리튬친화성 물질 덕분에 리튬이 코어 내부에 전착했고, 높은 전류밀도 조건(4C 입출력)에서도 500사이클(용량 유지율 82.5%) 이상의 우수한 성능을 냈다. 소재 합성 과정에서 대량 생산에 유리한 합성법인 전계방사법(electrospinning)을 활용해 실용성도 확보했다는 것도 큰 성과다.
한편 이번 연구결과는 그 우수성을 인정받아 미국 화학회(American Chemical Society)가 발행하는 재료과학 분야 최상위급 SCI 학술지인 <ACS Nano> 8월호 표지논문으로 실렸다. 논문의 수준을 평가하는 ‘Impact Factor’는 18.027로, 해당분야 상위 5.8%에 속한다.
김병곤 박사는 “리튬금속전지는 고용량이라는 장점에도 불구하고, 안정성 문제로 인해 상용화까지 넘어야 할 산이 많다”면서 "앞으로도 연구팀은 전해질 분야에서도 안정적인 리튬 전·탈착을 가능하게 하는 기능성 전해액 개발을 추진하는 등 리튬금속전지의 상용화를 위해 지속적으로 노력할 계획"이라고 말했다.
이상복 기자 lsb@e2news.com