'용량 10배' 리튬메탈전지 상용화 걸림돌 없앴다

KIST-GIST 연구팀, 내구성 3배 높이는 기술 개발
상용화 걸림돌 '안전성-내구성' 벽 넘을지 주목
기존 리튬이온 전지 대비 저장 용량 10배 이상

리튬메탈 전지는 불안정하고 용량이 작은 리튬이온 전지를 대체할 차세대 이차전지 후보 중 하나다. 전지 저장 용량이 10배나 높다. 그러나 안전성·내구성에 문제가 있어 상용화되지 못했다. 국내 연구진이 리튬메탈 전지의 내구성을 3배나 향상할 수 있는 기술을 개발해 주목된다.

한국과학기술연구원(KIST)은 광주과학기술원(GIST)과 함께 탄소섬유 페이퍼를 음극 소재로 사용해 리튬메탈 전지의 내구성을 3배 이상 향상시키는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

전기자동차의 보급 확대로 이차전지 수요가 폭발적으로 증가함에 따라 현재 가장 대중적으로 사용되고 있는 리튬이온 전지보다 용량이 크고 급속충전이 가능한 차세대 이차전지의 필요성이 커지고 있다. 그 가운데 리튬이온의 음극 소재인 흑연을 리튬메탈로 대체한 리튬메탈 전지는 이론적으로 리튬이온 전지보다 10배 높은 용량을 구현할 수 있다. 그러나 충·방전 중에 리튬 표면에 결정 돌기가 생성되면서 분리막을 찢는 현상이 나타나기 때문에 내구성과 안전성 문제가 있어 상용화되지 못하고 있다.

연구팀은 리튬메탈 전지의 음극 소재로 쓰이는 리튬메탈을 코팅한 구리 박막을 리튬메탈이 함유된 얇은 탄소섬유 페이퍼로 대체했다. 개발된 탄소섬유 페이퍼는 탄소 단섬유 위에 무기 나노입자인 비결정질 탄소와 탄산나트륨으로 표면처리를 하여 리튬 친화적인 특성을 가지는 동시에 리튬 수지상 결정이 뾰족하게 성장하지 못하도록 했다.

연구팀이 개발한 탄소섬유 페이퍼 음극 소재를 사용한 결과 구리 박막보다 3배 이상 높은 내구성을 갖는 리튬메탈 전지를 제조할 수 있었다. 구리 박막은 약 100회의 충·방전 사이클 이후에서 단락이 일어났지만, 새로 개발한 탄소섬유 페이퍼는 300 사이클 이상에서도 안정적인 성능을 보였다. 또 구리 박막을 사용하는 리튬메탈 전지의 에너지 밀도를 240 Wh/kg에서 428 Wh/kg으로 약 1.8배 증가시킬 수 있었다. 나아가 녹은 리튬이 탄소섬유 페이퍼에 빠른 시간 내에 흡수되는 특성을 보이기 때문에 전극 제조공정을 단순화시킬 수 있을 것으로 예상된다.

연구를 주도한 이성호 KIST 센터장은 “구리 대비 탄소섬유의 밀도가 5배 낮고 가격도 저렴한 점을 고려할 때, 연구팀이 제안한 음극재는 내구성이 높고 경량화된 리튬메탈 전지 상용화를 앞당길 수 있는 중요한 성과”라고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드벤스드 에너지 머티리얼즈’ (IF=29.698, JCR 상위 2.464%) 1월호에 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr