울산과기원, 리튬금속전지 실리콘 씌워 수명↑

어떤 원리로 성능 개선되는지 시각적 입증

리튬금속 표면에 실리콘을 씌워 결정이 성장되지 않도록 제어함으로써 성능과 수명을 끌어올린 리튬금속전지가 개발됐다.

한국연구재단은 배터리 실시간 이미징 전문가 이현욱 울산과학기술원 교수 연구팀이 싱가포르 A 스타 연구소와의 공동연구를 통해 리튬금속전지의 수명과 안정성을 끌어올렸다고 15일 밝혔다.

리튬금속은 리튬이온전지의 에너지 용량을 끌어올릴 차세대 음극 물질로 주목된다. 음극 물질 중에서 구동 전압도 가장 낮고, 현재 상용화된 흑연 음극보다 용량이 10배 가량 우수하다. 그러나 충·방전 반응이 일어날 때 전극에 나뭇가지 모양으로 결정이 생겨 전지의 성능이 낮아지는 문제가 있었다.

연구팀은 리튬금속 표면에 실리콘을 씌워 나뭇가지 모양의 결정이 성장되지 않도록 제어했다. 그 결과 전지의 성능도 개선되고, 수명도 더 길어졌다.

현미경을 통해 배터리 내부 관찰 배터리가 구동될 때 리튬금속 전극의 수지상 형성을 관찰한 결과, (e)일반 리튬금속 전극보다 (f)실리콘을 증착한 리튬금속 전극의 모양이 더욱 안정적이다. (a)전지의 성능과 (b)리튬금속의 불균일도에서도 실리콘을 증착한 경우에 더욱 안정적이다.

특히 배터리가 구동할 때의 반응을 실시간으로 관찰해, 개발된 리튬금속 전극이 어떤 원리로 성능이 개선되는지 시각적으로 입증했다.

일반 리튬금속 음극은 수지상 결정이 분리막을 뚫고 전지를 단락시키는 반면, 실리콘 코팅된 리튬금속 음극은 수지상 결정이 없어서 충전이 고르게 일어나고 부피 팽창된 모양도 안정적이다.

이현욱 교수는 “이 연구는 리튬금속 음극 물질의 거동, 부피 팽창과 수지상 형성 현상을 이해하고 그 해결점을 제시한 것”이라며 “이렇게 직접 관찰한 결과를 실제 전지에 적용해 리튬금속전지 상용화에 기여할 수 있다”고 연구 의의를 설명했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 7월 6일자에 게재됐다.