리튬금속전지 출력·안정성 높이는 배터리 구조 개발

한국전기연구원(KERI, 원장 직무대행 김남균)은 차세대 대용량 전지로 주목받는 리튬금속전지의 출력과 안정성을 대폭 높이는 배터리 구조를 개발했다고 29일 밝혔다.

리튬금속전지는 음극에 기존 흑연 대신 리튬을 사용하는 전지다. 리튬을 음극으로 쓰면 흑연에 비해 이론상 저장 용량이 10배 이상 높아져 전기자동차나 에너지저장장치(ESS) 등의 분야에서 관심이 높다.

하지만 충방전을 할 때 리튬 금속을 효과적으로 저장하지 못하면 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하며 내부 안정성을 해치는 '수지상 결정(dentrite)'이 형성되며 점점 부피가 커진다는 문제가 있다. 이는 전지 수명 저하와 내부 단락에 따른 화재·폭발 사고로 이어질 수 있다.

KERI 차세대전지연구센터 김병곤 박사팀은 '중공 코어 다공성 쉘 구조의 탄소 나노섬유' 구조를 개발, 이같은 문제를 해결했다. 속이 비어 있는 중공 코어 부분에는 리튬 친화성 물질인 금 나노 입자를 소량 첨가했다. 금은 리튬과 우선적으로 반응해 리튬의 성장 방향을 제어, 리튬을 코어 내부에 저장하도록 돕는다.

ACS나노 8월호 표지논문으로 게재된 한국전기연구원의 리튬금속전지 연구결과

껍데기인 쉘 부분에는 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있도록 일종의 구멍인 기공을 만들었다. 기존 중공 코어-쉘 구조는 고속 충·방전 조건에서 리튬 이온이 탄소물질인 쉘과 만나면 쉘 표면에 전착되는 문제가 있다. 연구팀은 쉘에 기공을 만들어 고속 충·방전에서도 리튬의 수지상 성장 없이 전·탈착 효율을 높였다.

김병곤 박사팀은 중앙대 문장혁 교수와의 협업을 통해 기술 효과도 이론적으로 검증했다. 시뮬레이션 해석 결과, 고출력 조건에서도 쉘 기공과 리튬친화성 물질 덕분에 리튬이 코어 내부에 전착될 수 있다는 것을 검증했다. 또 전류밀도가 높은 조건(4C 입출력)에서도 500사이클(용량 유지율 82.5%) 이상의 성능을 확인했다. 대량 생산에 유리한 합성법인 '전계방사법(electrospinning)'을 활용해 실용성도 확보했다.