신개념 '고용량 리튬 이온/전고체 전지' 원천기술 개발
최우수 국제학술지 '에너지 및 환경 과학' 게재
기사승인 2023-04-25 13:40:11
전기자동차의 주행거리를 대폭 늘릴 수 있는 차세대 음극소재가 개발돼 주목받고 있다. 국내 연구진이 대용량 전극(리튬 음극재)의 안정성 및 수명 특성을 극대화하는 기술을 개발했기 때문이다.
리튬 음극재는 기존 흑연 음극재 대비 10배 이상 큰 용량으로 전기차 주행거리를 대폭 늘릴 수 있어 차세대 배터리의 음극 소재로 주목받고 있다. 그러나 리튬 음극재는 충전 과정에서 △수지상 형태 성장으로 분리막을 파괴하거나 △성장으로 인한 지속적인 배터리의 팽창 △전해액과의 높은 반응성으로 인한 효율 감소 등의 문제로 리튬 이온 전지는 물론 차세대 배터리 중에 하나인 전고체 전지에서도 △폭발 위험성 △에너지 밀도의 감소 △급격한 수명 저하 특성 때문에 상용화에 여전히 큰 어려움으로 남아 있다.
경상국립대(GNU·총장 권순기) 공과대학 나노·신소재공학부 성재경 교수 연구팀은 울산과학기술원(UNIST) 조재필 교수팀과 공동 연구를 진행해 배터리 수명을 저해하는 리튬 음극재의 수지상 형태 성장과 부반응성을 효과적으로 억제해 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 합성기술을 개발했다.
연구 결과는 세계적인 학술지인 '에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)' (Impact Factor: 39.714)에 지난 4월14일자(현지시각)로 공개됐다(논문명: 탄화물 매개 촉매 수소화 분해: 액체 및 전고체 리튬 금속 배터리용 그래핀 결함 탄소계 리튬 친화물질(Carbide-mediated catalytic hydrogenolysis: defects in graphene on carbonaceous lithium host for liquid and all-solid-state lithium metal batteries)).
이 기술은 카바이드-매개 촉매 수소화 분해 메커니즘을 기반으로 해 그래핀 껍질 구조 및 나노 채널(1나노미터는 10억분의 1미터)을 포함한 탄소계 매트릭스를 합성하는 기술로 이 물질을 통해 배터리 충·방전 시 리튬 금속을 안정적으로 증착시킬 수 있다.
이 구조를 통해 충·방전 시 발생하는 고질적인 리튬 음극재의 불안정성을 최소화하고 높은 용량 및 우수한 수명 특성을 갖는 고안전성 리튬 이온 전지 및 차세대 전고체 전지를 구현한 혁신 기술로 주목받고 있다.
리튬 음극재의 안정성을 높이기 위해 기존 연구에서 안정적인 전해질 또는 고분자 보호막 등을 사용하여 충·방전 시 수지상 형태의 리튬 성장을 억제하고 균일한 리튬 금속 증착을 형성하는 보고가 있었으나 계속해서 증가하는 배터리(극판)의 팽창을 제어할 수 없었다.
또한 과량의 금, 은과 같은 귀금속 물질을 리튬 친화성 물질로 사용해 탄소기반의 구조와 복합구조체를 개발한 연구가 있었으나 배터리 가격이 높아지며 상용화 적용에 제약이 있었다.
성재경 교수 연구팀은 값싼 철 금속을 기반으로 한 수소 첨가 분해 반응을 탄소 소재의 옷감에 적용해 그래핀 껍질 구조와 나노 채널을 갖는 탄소 매트릭스를 개발했으며 이러한 구조는 극 소량의 Au(0.05 wt%)를 담지할 수 있는 다공성 지지체로 사용됐다.
이 개발물질을 리튬 이온 배터리에 적용한 결과 500회 충·방전 시에 87.2% 이상의 높은 사이클 수명 특성을 보여줬다. 놀라운 점은 배터리의 팽창 정도가 현재 전기차에 적용되고 있는 상용화 흑연과 비슷한 수준을 보여줬고 탄소 매트릭스를 차세대 전고체 전지에도 적용해본 결과 매우 높은 용량 및 안정적인 충·방전 특성을 보여주었다는 점에서 '혁신적 기술'이라고 평가받고 있다
제1저자 김남형 박사(미국 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소 책임연구원)는 "촉매 수소화 분해 메커니즘에 대한 심도 있는 고찰로 리튬 음극재에 최적화된 구조를 합성하는 새로운 기술을 개발할 수 있었다"고 말했다.
성재경 교수는 이에 덧붙여 "이 기술은 대부분의 공정 및 원재료가 저렴하다는 점과 기존 리튬 금속 음극재의 팽창률을 낮췄다는 점에서 차세대 리튬 금속 적용 전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것이다"고 말했다.
이러한 우수한 특성을 갖는 신 합금 소재로 기존 대비 향상된 주행거리를 갖고 안전한 전기자동차(EVs) 구현뿐만 아니라 드론 및 인공지능형 로봇에도 적용 가능할 것으로 전망된다.
