연구성과

화학 박수진 교수팀, 리튬 금속 전지 폭발 문제점 잡고 안전성·성능 높여 상용화 앞당긴다

2019-02-22 481

[리튬 금속 음극 단점 극복 가능한 복합 보호층 개발]

연구성과_상세_박수진교수_이정인박사

전기차의 가장 큰 과제는 배터리 성능이다. 한번 충전에 주행할 수 있는 거리를 대폭 늘일 수 있길 때문이다. 배터리의 성능을 획기적으로 올리려는 방안에 대해 세계 각국이 고민 중인 가운데, 우리가 흔히 사용하는 리튬 이온 전지에 비해 에너지 밀도가 10배 이상 높지만, 폭발의 우려 때문에 상용화할 수 없었던 리튬 금속 음극의 단점을 국내 연구팀이 해결해 주목을 모으고 있다.

화학과 박수진 교수, 박사 이정인 씨는 UNIST 에너지공학과 신명수, 홍동기 연구원과 함께 리튬 금속 음극의 단점인 폭발을 원천적으로 막을 리튬 전도성 유·무기 복합 보호층을 개발했다. 또 차세대 고용량 양극 물질을 사용해 고속 충전 및 고출력이 가능한 리튬 금속 전지를 구현해 이 기술이 확장된다면 성능 좋고 안전한 리튬 금속 전지의 상용화가 앞당겨져 전기차나 휴대용 디스플레이 배터리로 활용될 전망이다.

일반 리튬 이온 전지에는 음극체로 흑연이 들어간다. 흑연 대신 금속을 음극으로 사용하게 되면 질량 대비 10배, 부피대비 3배 이상 용량이 늘어나 작은 크기의 배터리로도 효율을 획기적으로 올릴 수 있게 된다. 하지만 금속을 음극체로 쓰게 되면 리튬 반응성이 좋아져서 배터리 충전 시 리튬을 반대 방향으로 보내게 되는데, 보내진 리튬이 반대편에서 바늘처럼 뾰족뾰족하게 자라게 된다. 이렇게 되면 날카로운 리튬이 분리막을 뚫어 셀이 폭파되거나 망가져 기능을 잃게 되는 현상이 일어난다.

연구팀은 이런 현상을 막기 위해 리튬 전도성 무기(리튬 티타늄 산화물 Li2TiO3, LT층)·유기(불소계 수지PVDF-HFP) 복합막을 개발해 충전과 방전을 계속하는 동안 바늘처럼 뾰족하게 리튬이 자라나는 현상인 수지상 결정을 근본적으로 차단했다. 복합막이 리튬이 자라지 않고 빈 공간을 채우며 셀 안에만 머물도록 돕기 때문에 전지의 안정성이 확보되고 수명도 향상된다. 또 다양한 차세대 고용량, 고전압 양극물질(NCM811, LNMO, LMO)를 사용해 고속충전과 고출력이 가능한 리튬 금속 전지를 구현하는 데도 성공했다.

이번에 개발된 복합막인 리튬 전도성 무기층은, 기존에 사용해오던 카보네이트계 전해액에도 그대로 적용할 수 있어 기존 시스템을 많이 바꾸지 않고도 사용할 수 있기 때문에 큰 비용 없이 상용화할 수 있다.

박수진 교수는 “이번에 개발된 리튬 이온 전도성 무기·유기 복합막은 손쉽게 차세대 전지에 적용할 수 있는 기술로 리튬 금속 전지 상용화에 크게 기여할 것”이라며 기대감을 밝혔다.

한편 이번 연구성과는 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advaned Energy Materials)지에 2월 14일에 게재됐으며, 한국연구재단 학문후속세대지원사업의 대통령 Post Doc. 펠로우십 및 원천기술개발사업의 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행됐다.