보호막 씌워 리튬공기전지 수명 3배 연장

카이스트 연구팀, 관련기술 개발

▲전기화학 구동 후 리튬 금속 음극형상.[사진제공=카이스트]

[아시아경제 정종오 기자] 보호막을 씌워 리튬공기전지의 수명을 3배 정도 연장할 수 있게 됐다.

카이스트(KAIST, 총장 강성모) 생명화학공학과 김희탁·박정기 교수 공동 연구팀이 차세대 리튬공기전지의 수명연장 기술을 개발했다. 이번 기술은 리튬공기전지 리튬금속을 보호막을 씌워 발생 가능한 문제점을 차단하는 방식으로 전지기술의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.

리튬공기전지는 공기 중의 산소와 리튬금속으로 구동되는 이차전지로 기존 리튬이차전지보다 5배에서 10배 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 전기 자동차 등의 차세대 대용량 전지로 각광받고 있는데 양극에서의 낮은 가역성과 에너지 효율, 급속한 수명 저하가 한계로 지적됐다.

이런 단점을 극복하기 위해 '산화환원 중계물질(Redox mediator)'이라는 촉매가 들어간 리튬공기전지가 개발돼 중계물질에 의한 가역성이 획기적으로 향상됐다. 반응성이 높은 리튬 금속을 음극 소재로 사용하기 때문에 음극 표면이 쉽게 산화돼 전지 수명이 제한된다는 한계를 갖는다.

특히 가역성 향상을 위한 중계물질이 리튬 금속에 노출되면 양극에서의 중계 효과가 제한되고 중계물질이 소실돼 효율 및 수명이 급격히 감소하는 현상은 큰 문제로 남아있었다.

연구팀은 문제 해결을 위해 리튬 금속에 보호막을 씌우는 방법을 개발했다. 리튬 금속과 전해액의 직접 접촉을 물리적으로 차단하면서 리튬 이온만 효과적으로 전도시킬 수 있는 유무기 복합 보호층을 개발해 리튬 음극 표면에 도입한 것이다.

이 유무기 복합 보호층은 리튬 금속 음극의 급격한 산화를 억제하고 중계물질과 리튬금속 간의 반응을 물리적으로 차단하는 역할을 한다. 보호층은 산화된 중계물질이 리튬 금속 표면에서 스스로 환원되는 현상을 물리적으로 차단한다. 이를 통해 중계물질이 양극 표면에서 방전 생성물 분해에만 집중할 수 있고, 리튬 금속 표면에서의 분해로 인한 소실 문제를 차단할 수 있다.

연구팀은 리튬금속 음극 안정성과 중계물질의 지속성을 동시에 증대시켜 리튬공기전지의 충전과 방전 사이클 수명을 3배 연장하는 데 성공했다. 김 교수는 "차세대 에너지 저장장치인 리튬공기전지의 수명 한계를 극복할 단서를 제시했다"며 "리튬공기전지의 실용화를 위한 유용한 전략이 될 것"이라고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr