이경구 교수팀의 연구성과가 게재된 국제학술지 표지
국내 연구진이 차세대 이차전지로 꼽히는 '리튬금속 이차전지'의 수명과 출력을 개선하는 기술 개발에 성공했다.
군산대학교 화학과 이경구 교수팀이 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단(연구위원: 곽경원 고려대 화학과 교수)과의 공동연구를 통해 리튬금속 이차전지 수명 및 출력 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.
기존 리튬이온전지는 노트북, 휴대폰 등의 전자 제품 등에 널리 사용되고 있으나, 저장 용량이 작고 수명이 짧은 한계로 인해 전기자동차용 이차전지로 사용하기에는 그 한계가 분명했다.
이에 흑연을 사용하는 리튬이온전지와 달리 10배 이상 큰 저장용량을 가진 리튬금속을 사용하여 개발된 리튬금속전지는 리튬이온전지의 한계를 극복한 전기차용 이차전지의 대안으로 주목받아 왔다.
하지만 리튬금속전지 역시 충/방전을 거듭할수록 리튬금속 표면에 나뭇가지 모양의 수지상결정(dendrite)이 형성되어 전지의 수명이 짧아지고, 화재나 폭발 등에 취약하다는 약점을 갖고 있었다.
수지상결정 형성은 리튬금속에 보호막을 도입하여 해결할 수 있으며 높은 농도의 전해질을 사용하면 효과적인 해결책으로 알려져 있지만 고농도의 전해질은 일반적으로 출력 성능이 저하되어 전기차용 이차전지로 사용하기에는 적합하지 않았다.
이런 가운데 이경구 교수 연구팀은 두 개의 전해질 염(LiPO2F2과 LiTFSI)을 사용하여 전지 수명을 확보함은 물론 고성능의 출력을 낼 수 있는 기술을 순수 국내 연구로 개발하여 주목받고 있다.
연구팀은 리튬금속전지의 문제인 수지상결정 형성을 억제하기 위해 두 개의 전해질 염을 활용하여 리튬금속 보호막을 제작하는 기술을 적용했다.
동시에 고농도 전해질의 한계였던 이온전도도는 전기자동차용 이차전지로 사용하기에 적합한 수준 이상을 보여 출력 성능 역시 높였다.
또한 이론 계산을 통해 두 종류의 전해질염을 포함하는 전해질 내 이온 간의 선택적 상호작용이 존재한다는 것도 규명함에 따라 향후 리튬금속전지의 고성능화를 위한 전해질 설계에 기여할 전망이다.
이경구 교수 연구팀의 연구결과에 따른 리튬금속전지가 전기차용 이차전지로 상용화될 경우 전기자동차의 주행거리를 대폭 늘릴 수 있어 국내 자동차 제조사들 및 이차전지 제조사들에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
교육부 개인연구사업(지역대학우수과학자)과 과학기술정보통신부 기초연구사업(기초연구실) 지원으로 수행된 이번 연구결과는 에너지 분야 세계적 권위지인 국제 학술지 'Advanced Energy Materials’ (인용지수 25.2) 표지 논문으로 선정되어 2월 8일 자로 게재됐다.
이정훈 기자 (iqtop@naver.com)
