현재 사용 리튬이온 배터리 대비 용량 최대 3배 향상 주목

GIST(지스트, 총장 문승현) 신소재공학부 엄광섭 교수팀과 건국대 조한익 교수, 美 조지아공대 등 공동 연구팀이 현재 사용되고 있는 리튬이온 배터리보다 용량이 최대 3배 향상된 새로운 리튬이온 배터리를 개발하는데 성공했다.

◆하루 1회 충전 시 7년 동안 사용가능

이 배터리가 상용화되면 하루에 1회 충전 시 7년 동안 큰 성능 감소없이 사용 가능할 것으로 기대된다.

현재 상용 리튬이온 배터리의 전극 재료로써 그라파이트(음극)와 리튬금속산화물(양극)이 사용되고 있다. 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮으며 현재 기술로는 이론 용량에 거의 도달해, 전기자동차의 전기 저장 용량을 증가시키는 데 한계에 직면했다.

이론 용량은 리튬이온전지용 전극 물질이 가지는 고유의 최대 리튬 저장량(=전하 저장량)으로 실험적으로 이보다 높을 수는 없다. 예를 들어 그라파이트의 경우에는 탄소 원자 6개당 하나의 리튬 이온이 저장되는데, 이를 계산하면 374 mAh/g이 된다.

전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해서는 많은 양의 배터리를 장착하면 되지만, 차체 무게가 증가하고 자동차 연비가 감소하기 때문에 배터리 추가 장착만으로는 주행거리를 늘리는 데 한계가 있다. 따라서 무게 및 부피당 전기 저장 용량이 큰 새로운 전극재료를 이용해 신규 배터리 개발이 필요한 상황이다.

연구팀은 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로써 황-금속(몰리브데늄) 화합물에 주목하고 이를 이용해 현재의 리튬이온 배터리의 양극재보다 무게 당 용량이 최대 6배 향상되고(에너지밀도 3배) 충·방전 2,500회 동안 초기 성능의 90% 이상 유지할 수 있는 새로운 실시간 전기화학적 처리를 개발하였다.
 
연구팀은 간단한 공정을 통해 제작 가능한 마이크론 크기의 물질을 이용해 나노 크기의 물질로 전환시켜 배터리의 용량 및 안정성 향상에 집중하였는데, 핵심적인 방법은 전극 활성 물질을 셀 제작 후에 실시간으로 나노 크기로 변환시킬 수 있는 ‘전기화학적 분쇄법(in situ electrochemical nano pulverization)’이다.
전기화학적 분쇄법 기술은 연구팀이 전 세계적으로 유일하게 자체 개발한 기술로 복잡한 추가 공정이 필요하지 않아 상용화가 매우 용이하며 현재 특허 출원 중이다(Metal Sulfide Secondary Battery, Korea Patent Applied : 10-2017-0181620).

또한 연구팀은 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로써 고용량 ‘실리콘 음극’과 ‘황-금속 화합물 양극’에 주목하고, 황-금속 화합물 양극에 전기화학적 처리를 통해 ‘황-금속 화합물 양극’-‘리튬/실리콘 음극’으로 구성된 신규 고용량·고안정성 배터리를 개발하였다. 신규 배터리는 무게당 저장 용량이 약 1,150 mAh/g으로 현재 상용화된 리튬이온 배터리(150~200 mAh/g 수준)보다 약 6배 높으며, 사용 전압(1.5 ~ 2.0 V)을 고려한 에너지밀도에서는 약 3배 이상 증가함을 확인하였다.

엄광섭 교수는 “이번 연구성과는 고용량·초저가인 황-금속 화합물 소재를 이용한 새로운 리튬이차전지의 성능 및 안정성을 상용에 가까운 수준으로 향상시켰다는데 가장 큰 의의가 있으며 향후 추가적인 연구개발을 통해 전기자동차(EV)와 에너지저장 시스템(ESS)으로 상용화함으로써 이차전지 시장의 급격한 성장이 가능하길 기대한다”고 말했다.

GIST 신소재공학부 엄광섭 교수와 조한익 건국대 교수가 공동으로 주도하고 장의진 박사과정생(GIST 신소재공학부)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐으며 연구 성과는 ACS (American Chemical Society)의 저명 나노과학 저널인 ACS Nano (2017인용지수: 13.7)에 12월 24일자로 온라인 게재됐다. 

◆리튬 이차 전지 및 문제점

한편 리튬 이차 전지 및 문제점을 살펴보면 리튬이온전지는 전해질 내에 전기화학적 전위차가 있는 양극과 음극으로 구성되어 전기에너지가 필요시 전자 및 리튬이온이 자발적으로 음극에서 양극으로 이동하여 전기에너지를 생성한다.

충전 시에는 외부에서 전기에너지를 가하여 다시 리튬이온과 전자를 다시 음극으로 보내어 원래의 상태로 돌릴 수 있다. 즉, 충/방전이 용이하게 가능한 에너지 저장 시스템(2차 전지)이다. 그러나 리튬이온이 전극 물질 내부로 들어갔다 나왔다 하는 과정의 반복에 의해서 장기적으로 사용 시 구조가 붕괴되는 등의 문제로 성능 감소가 일정하게 일어나는 문제가 있다. 따라서 수명을 향상시키고자 하는 연구 또한 활발히 진행되고 있다.

◆그라파이트 및 실리콘 음극 전극

탄소의 육방형 판상 층상 구조 결정체로 6개의 카본 원자 당 1개의 리튬이온이 저장된다. 이론 용량은 374 mAh/g으로 용량은 매우 낮으나 리튬 이온이 그라파이트 내부로 들어가고 나오는 반응이 매우 안정적이나 현재 대부분의 상용 리튬 이온 전지의 음극 재료로 사용되고 있다. 그러나 고용량 배터리를 개발하기 위해서는 4200 mAh/g을 가지는 실리콘 전극과 같은 새로운 음극 전극 재료가 필요하다.

◆리튬금속산화물 및 황 양극 전극

LiCoO2, Li(NiCoMn)O2, LiMn2O4 등 현재 전기자동차 및 휴대폰에 사용되는 리튬이온전지의 양극 재료로 사용되고 있는 물질로 사용 전위가 리튬대비 약 4.0 V로 높으나 이론 용량은 120~180 mAh/g 수준으로 낮다. 현재 세계적인 배터리 연구그룹과 회사에서 이론용량에 근접할 만큼 기술 개발 수준이 높다.

따라서 현재 배터리보다 용량을 급격히 향상시키기 위해서는 새로운 형태의 초고용량 전극재료의 개발이 필요하다. 특히, 황 전극은 이론적으로 1,672 mAh/g의 매우 높은 용량을 가지고 있고, 가격이 매우 저렴하여 주목받고 있다. 그러나 현재 용량은 400~800 mAh/g 수준이고, 안정성이 매우 낮아 수십 번의 충방전 동안에도 성능 감소가 두드러진다.  

◆고체전해질계면(SEI) 층

리튬이온전지에서 초기에 전해질과 리튬이온의 환원 반응에 의하여 음극의 표면에 자연적으로 형성되는 보호막으로 기본적으로 전극의 부식을 막는 좋은 역할을 한다. 그러나 형성 될 때 많은 양이 형성되어 두꺼워지면 전기전도도와 리튬이온의 이온전도도가 감소하여 성능이 오히려 감소한다. 또한, 사용가능한 리튬이온의 양이 줄어들어 전체적으로 전지의 성능을 감소시킨다.