50배 더 오래 쓰는 전지 음극 제조 기술 개발

DGIST 이용민 교수 등 공동연구팀 "차세대 이차전지 개발에 활용 주목"

[아시아경제 김봉수 기자] 기존 전지 음극보다 50배 이상 수명이 긴 초박막 음극 제조 기술이 개발됐다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지공학전공 이용민 교수, 이홍경 교수, 한밭대학교 화학생명공학과 유명현 교수 공동 연구팀이 리튬 금속 분말에 안정화 첨가제를 첨가한 초박막 리튬 금속 음극 제조 기술을 개발했다고 31일 밝혔다. 기존 음극보다 사용수명을 50배 이상 늘릴 수 있어 차세대 이차전지 개발에 활용될 수 있을 지 주목된다.

연구팀에 따르면 리튬 금속으로 제작된 전극은 높은 이론 용량(3860 mAh g-1), 낮은 환원 전위(-3.04 V vs Li/Li+)를 가져, 전지의 에너지 밀도를 높이는데 적합한 음극재로 관심을 받아왔다. 하지만 충·방전 과정 중 지속적인 리튬 덴드라이트(Lithium Dendrite) 형성되며 음극의 표면이 균일하지 못하게 되고 이로 인해 성능 저하와 내부 단락에 의한 전지 발화 등이 발생하는 단점이 있다.

연구팀은 기존 음극에 새로운 물질을 첨가해 문제를 억제시킨 새로운 음극 제작 기술을 개발했다. 연구팀은 음극 제작을 위해 계면보호 첨가제인 ‘리튬 질산염’을 리튬 금속 분말과 혼합하고 용액 상 반응을 통해 음극 표면이 균일하게 형성되도록 유도했다. 거푸집 구조에 담지된 리튬 질산염은 서서히 전해질로 방출돼 전지를 장기간 사용하더라도 지속적으로 계면이 보호되도록 설계했다.

이렇게 개발된 음극은 20 마이크로미터(㎛) 두께로, 공동 연구팀은 긴 시간 사용하는 조건에도 기존 대비 약 50배 가량 수명 특성이 향상됐다. 리튬 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제하고 상용 전지 수준의 수명 특성이 확보될 수 있다는 사실이 실험을 통해 확인됐다.

이용민 DGIST 에너지공학전공 교수는 “이번에 개발한 기술은 초박막·광폭 리튬 금속 전극 제조 및 성능 확보가 가능한 원천 기술로, 다양한 전지 및 전해액 시스템에서도 적용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’에 뒷표지 논문으로 지난 12일 게재됐다.

.DGIST 에너지공학전공 이용민 교수(왼쪽), 이홍경 교수(오른쪽), 진다희 박사과정생(앞줄). 사진제공=DGIST

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr