GIST, 무게·부피는 줄이고 용량은 높인 리튬 음극재료 개발
상태바
GIST, 무게·부피는 줄이고 용량은 높인 리튬 음극재료 개발
  • 첨단넷
  • 승인 2021.02.04 08:00
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

다공성 구조체를 이용한 리튬 금속 음극과 이를 이용한 리튬 이온 이차전지 및 기존 연구와의 차별성 비교.
다공성 구조체를 이용한 리튬 금속 음극과 이를 이용한 리튬 이온 이차전지 및 기존 연구와의 차별성 비교.

국내 연구진이 리튬 이온 배터리 무게와 부피를 획기적으로 줄이면서도 높은 용량을 유지할 수 있는 음극 재료를 개발했다. 배터리 소형화 등 차세대 고용량 이차전지 상용화에 기여할 전망이다.

광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 엄광섭 신소재공학부 교수팀이 다공성 구조체 설계를 통해 리튬 덴드라이트 형태의 성장을 억제하면서도 매우 작은 무게와 부피의 다공성 구조체에 더 많은 양의 리튬을 저장할 수 있는 고용량 리튬 금속 음극재료를 개발했다고 4일 밝혔다.

리튬 금속은 흑연보다 10배 이상 용량이 높아 배터리 음극 재료로 사용하려는 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 하지만 배터리에서 리튬이 석출(고체화)되면 나뭇가지 형태의 결정인 덴드라이트가 형성돼 분리막을 파괴할 뿐 아니라 전극의 부피변화를 초래해 배터리 수명을 단축하는 주된 원인이 된다. 덴드라이트 형태로 성장한 리튬 금속은 배터리의 단락을 야기하며 심각할 경우 폭발 위험성이 있다.

이러한 리튬 금속의 덴드라이트 문제점을 해결하기 위해 친리튬성 매개체의 도입, 음극 표면에 보호 필름 도입, 다공성 구조체 내부 기공에 리튬 금속을 저장하는 방법 등이 개발되고 있다. 특히 다공성 구조체 내부 기공에 리튬 금속을 저장하는 방법은 전극의 반복적인 부피 변화를 방지할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

연구팀은 다공성 구조체를 사용하는 리튬 금속 음극에 대해 초점을 맞췄다. 기존 연구에서 다공성 구조체 무게와 부피가 너무 커 배터리 에너지 저장량을 저하시키고 이온 전달 속도가 느려 리튬이 구조체 내부가 아닌 표면에 저장이 집중되는 현상을 해결하는 데 집중했다.

리튬을 구조체 내부에 안정적으로 저장할 수 있으면서도 구조체 무게와 부피를 획기적으로 줄일 수 있도록 기공률·기공경·전극 두께나 면적을 자유롭게 제어할 수 있는 다공성 구리 구조체의 제작법을 개발했다. 90% 이상의 기공률을 갖도록 제작한 다공성 전극은 전도성을 갖기 때문에 무거운 집전체를 추가로 사용할 필요가 없다. 높은 기공률에 따른 적은 무게로 많은 양의 리튬을 저장할 수 있다.

이는 차세대 음극 재료로 각광받는 실리콘의 이론상 한계 용량보다 높은 용량을 갖을 수 있다는 것을 의미한다. 흑연보다 3~5배까지 가벼운 음극을 만들 수 있으며 기존 리튬 이온 배터리 무게를 16%, 전극 두께는 2배 이상 줄일 수 있어 배터리 소형화에 기여할 것으로 기대하고 있다.

엄광섭 교수는 “리튬 금속을 음극의 기초적인 전극 설계 방법 및 재료 설계 방법을 확립함으로써 배터리의 실질적인 에너지 저장량을 향상시킬 수 있는 기술을 확보했다”면서 “후속 연구를 통해 여러 종류의 양극 재료에 적용하는 연구를 진행해 배터리의 고질적인 문제인 낮은 에너지 저장량을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

엄광섭 교수가 지도하고 송하용 박사과정생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단 기본과제 및 현대자동차 NGV 과제의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 성과는 첨단 소재 분야의 세계적인 학술지인 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈’ 최신호 온라인에 게재됐다.

왼쪽부터 GIST 송하용 박사과정생, 엄광섭 교수.
왼쪽부터 GIST 송하용 박사과정생, 엄광섭 교수.

 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.
주요기사
이슈포토