한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 조원일 박사팀에서 현재 스마트폰이나 노트북에 쓰이는 리튬이온전지의 에너지밀도를 2배 이상 상회하고 1,200회 이상 충‧방전해도 초기 대비 80% 이상의 성능이 유지되는 리튬금속-이온전지를 개발하였다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.

이번 연구는 리튬금속 표면에 인조 보호막을 덧입혀 전지의 성능과 안정성을 높인 것으로 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy), IF(46.859)’ 온라인판에 게재되었다.

인공 고체-전해질 계면상((Artificial Solid-Electrolyte Interphase)은 각 전극과 전해액 사이에 일어나는 반응을 제어하기 위하여 양극 혹은 음극 표면에 인위적으로 만들어준 수∼수천 나노미터 두께의 얇은 층이다.

논문명은 Langmuir-Blodgett artificial solid-electrolyte interphases for practical lithium metal batteries이며 저자 정보는 김문석(한국과학기술연구원, 제1저자), 조원일(한국과학기술 연구원, 공동교신저자), 린든 아처(코넬대학, 공동교신저자) 포함 총 8명이다.

리튬금속-이온전지는 리튬이온전지의 흑연 음극을 리튬금속으로 대체한 전지로, 리튬이온전지보다 이론상 에너지용량이 10배 이상 커서 차세대 전지시스템으로 주목받고 있는 기술이지만리튬금속의 높은 반응성 때문에 금속표면에서 덴드라이트(dendrite)가 생성되면서 전지의 폭발을 유발하거나 수명을 단축시키는 문제가 있었다.

 덴드라이트는 금속 표면 어느 한 부분에 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정으로 전극의 부피팽창과 전극과 전해질 사이의 부반응을 유발하여 위험을 초래한다.

연구팀은 이러한 덴드라이트 현상을 억제하기 위하여 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사함으로써 ‘랭뮤어-블라젯 인조 고체-전해질 계면상’이라 부르는 인조 보호막과, 양자역학 계산을 활용하여 최적의 전해질 배합도 개발했다.

양자역학 계산은 전자 운동을 양자역학적으로 해석함으로써 실제 전지 제조 및 장기간 평가 없이 컴퓨터 계산만으로 물질의 전자구조와 분자의 반응성을 계산하는 기술이다.

이러한 인조 보호막과 전해질 배합을 통해 1,200회 이상 충‧방전을 하더라도 초기 성능 대비 80%를 유지하고, 상용화된 리튬이온전지 수준으로 리튬금속의 양을 줄여도 200회 이상 충‧방전이 가능하다는 것을 확인했다.

이번 연구로 리튬이온전지가 지닌 에너지 저장능력의 한계를 넘어서는 고용량․장수명 전지의 제조가 가능해졌으며, 리튬금속-이온전지을 포함한 리튬-황전지, 리튬-공기전지 등 차세대 전지산업에 큰 기회를 가져올 것으로 기대된다.

조원일 책임연구원은 “이번 연구결과는 차세대 전지의 성능과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원천기술을 개발한 것”이라며 “드론, 자율주행차, 무인잠수정 등 무인이동체 산업을 비롯하여 다양한 산업으로 파급될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부의 ‘무인이동체 미래선도 핵심기술개발사업’과 ‘한국과학기술연구원(KIST)’의 ‘미래원천기술연구’의 지원을 받았다.