알루미늄 합금, 초박막 MoS로
리튬음극 불안정성 해소
전해질 최적화로 전지 수명 증가
 
 
리튬이온전지보다 이론상 에너지 밀도가 10배가량 더 높다고 알려진 차세대 전지 시스템 ‘리튬금속전지’ 개발이 다시 급물살을 타게 됐다.
 
한국과학기술연구원(KIST)은 18일, 소속 연구진이 리튬금속전지의 물리 화학적 불안정성을 제거할 리튬-알루미늄 합금 기반 음극재를 개발했다고 밝혔다.
 
해당 음극재를 개발한 에너지저장연구단 조원일 박사팀은 또한, 전해질 시스템을 최적화해 기존에 개발된 리튬이온전지 대비 2배 이상 수명을 끌어올리는 데도 성공했다.
 
리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 전지다.
 
리튬금속은 현재까지 파악된 음극물질 중 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있다. 반면, 산화 환원 전위는 매우 낮아 경량화 및 대용량화가 필요한 이차전지에 적합한 소재로 기대를 모은 바 있다.
 
하지만 리튬금속 표면에서 발생하는 덴트라이트(dendrite)로 인해 전극 단락과 폭발 가능성이 제기되며 흑연 음극을 사용하는 리튬이온전지가 먼저 상용화됐다.
 
덴드라이트는 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정으로, 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다.
 
리튬이온전지는 최근 단위 무게당 에너지 밀도를 더 높이기 어려운 한계점에 이른 것으로 평가되고 있다. 반면 전기자동차, 드론 등 다양한 분야에서 더욱 높은 성능의 고용량 전지가 요구되는 상황에 따라 전 세계적으로 리튬금속 음극의 전기화학적 안정성을 확보하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

KIST 연구진은 기존 순수 리튬금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어하는 한편, 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS) 기반의 초박막 인조보호막을 형성해 전지 용량과 수명을 급격히 저하하는 덴트라이트 성장을 억제했다.
 
초박막 인조보호막은 조원일 박사가 개발한 인공 고체-전해질 계면상(Artificial Solid-Electrolyte Interphase)이다. 인공 고체-전해질 계면상은 각 전극과 전해액 사이에 일어나는 반응을 제어하기 위하여 양극 혹은 음극 표면에 인위적으로 만들어준 수에서 수천 나노미터 두께의 얇은 층으로, 지난해 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사하며 성능과 안정성을 입증한 바 있다.
 
이번 연구에서는 초박막 인조보호막의 실제 양산성 확보를 위해 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮추고, 복잡한 제조공정을 단순화 및 전지의 안정화에 연구력이 집중됐다.
 
KIST 조원일 박사는 “기존 리튬이온전지의 용량 한계가 예상됨에 따라 리튬금속전지 개발 요구가 점증하고 있다”면서 “차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지가 필요한 드론, 자율주행차량, 에너지저장시스템(ESS) 등의 발전에 이바지할 수 있게 되기를 기대한다”고 밝혔다.