음극없는 리튬이온배터리 개발…파우치형 전지로 "용량 2배 검증완료"

국내 연구진이 음극을 없애는 방법으로 리튬이온배터리 용량을 2배 늘리는데 성공했다. 실험실 수준을 넘어 실제 파우치형 전지로 검증도 완료했다.

POSTECH(포항공과대학교)은 화학과 박수진 교수·한동엽 박사 연구팀과 KAIST 생명화학공학과 최남순 교수·김세훈 박사(현 한국전자통신연구원 소속), 경상국립대 재료공학과 이태경 교수·손준수 연구원 연구팀이 ‘무음극(anode-free) 리튬금속전지’에서 부피 에너지 밀도 1천270Wh/L(와트시/리터)를 구현하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

이는 현재 전기차에 쓰이는 리튬이온전지(약 650Wh/L) 약 두 배 수준이다. 이 성과는 국제 재료 과학 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 실렸다.

‘무음극 리튬금속전지’는 말 그대로 음극이 없는 전지다. 대신 충전할 때 양극에 있던 리튬이 구리판 위에 쌓인다. 불필요한 부품을 덜어낸 만큼, 배터리 내부 공간을 에너지 저장에 더 많이 쓸 수 있는 장점이 있다.

무음극 배터리 개발 연구진. 왼쪽부터 POSTECH 박수진교수, 김세훈 박사, KAIST 최남순 교수, 김세훈 박사, 경상대 손준수 연구원.

문제는 안전성과 수명이다. 리튬이 고르게 쌓이지 않으면 덴드라이트(바늘처럼 뾰족한 결정, dendrite)가 자라 분리막을 뚫어 단락이 발생, 열폭주 현상을 일으킬 수 있다. 충전과 방전을 반복할수록 표면이 갈라지며 수명도 급격히 줄어든다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘리튬 호스트(Reversible Host, RH)’와 ‘설계형 전해질(Designed Electrolyte, DEL)’을 함께 사용하는 전략을 취했다.

‘리튬 호스트’는 고분자 틀 안에 은(Ag) 나노입자를 고르게 배치해 리튬이 아무 데나 쌓이지 않고 정해진 자리로 모이도록 유도한다. 리튬이 질서 있게 자리 잡을 수 있는 ‘리튬 전용 주차장’을 만든 셈이다.

여기에 ‘설계형 전해질’을 더했다. 전해질은 배터리 안에서 리튬이 이동하는 통로 역할을 하는 액체다. 연구팀이 설계한 전해질은 리튬과 반응해 얇고 단단한 보호막을 형성한다. 이 보호막은 피부에 밴드를 붙인 것처럼 리튬 표면을 감싸, 덴드라이트 성장을 막으면서 리튬 이동 통로는 열어 둔다.

이 둘을 결합한 RH-DEL 시스템은 높은 용량(4.6mAh/㎠)과 전류 밀도(2.3mA/㎠) 조건에서 100회 충·방전 후에도 초기 용량의 81.9%를 유지했고, 평균 99.6%의 높은 에너지 효율을 기록했다. 이러한 안정적인 성능을 바탕으로 연구팀은 무음극 리튬금속전지에서 부피 에너지 밀도 1천270Wh/L를 구현하는 데 성공했다.

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특히 이번 성과는 실험실용 작은 전지가 아니라, 파우치형 전지에서도 검증됐다. 전해액을 최소한만 사용(E/C=2.5 g/Ah)하고, 배터리를 꽉 누르지 않은 낮은 압력 조건(20kPa)에서도 안정적으로 작동했다. 이는 실제 차량에 적용할 경우 무게와 부피를 줄이면서도 제조 부담을 낮출 수 있다는 의미로, 상용화 가능성을 한층 높였다는 평가다.

리튬 호스트 구조 설계와 성능 검증을 맡았던 박수진 교수는 "음극이 없는 리튬금속전지에서 전성과 수명 문제를 동시에 해결한 의미 있는 성과”라고 연구의 의의를 전했다. 또한, 이론·계산 연구로 실험 결과의 근거를 더한 이태경 교수는 “이번 연구를 통해 상용 용매 기반 전해질 설계를 통해 리튬이온 이동성과 안정성을 동시에 확보했다"라고 전했다.