탄소섬유를 이용해 전기차 이차전지의 내구성은 3배 높이고, 충전 용량은 10배 늘릴 수 있는 음극 소재가 개발됐다. 새로 개발된 이차전지는 에너지 밀도가 높아 경량화도 가능할 것으로 기대된다.
한국과학기술연구원(KIST)은 이성호 탄소융합소재연구센터장 연구팀이 엄광섭 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 교수 연구팀과 탄소섬유 페이퍼를 음극 소재로 사용해 리튬메탈 전지의 내구성을 3배 이상 높이는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
현재 전기차에는 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 전류를 흐르게 하는 음극 소재를 흑연으로 만든 리튬이온 전지가 주로 사용된다. 리튬이온 전지는 용량이 적고 급속충전이 제한된다는 문제점을 가지는데, 흑연을 리튬메탈로 대체한 리튬메탈 전지가 차세대 전지로 꼽힌다.
리튬메탈 전지는 이론적으로 리튬이온 전지보다 10배 높은 용량을 구현할 수 있다. 하지만 충·방전 중 리튬이 전극에 불균일하게 붙고 리튬 결정이 돌기 모양으로 성장해 배터리의 분리막을 찢는 현상이 나타나 상용화되지 못하고 있다.
연구팀은 음극 소재인 리튬메탈을 코팅한 구리 박막을 얇은 탄소섬유 페이퍼로 대체해 전지의 내구성을 높였다. 탄소섬유 페이퍼는 탄소 단섬유 위에 비결정질(원자나 이온의 배열 상태가 불규칙해 일정한 결정을 이루지 못하는 광물) 탄소와 탄산나트륨으로 표면을 처리해 리튬 친화적인 특성을 갖도록 개발됐다. 새로 개발된 탄소섬유 페이퍼 덕분에 리튬 결정이 돌기 형태로 성장하지 못한다는 게 연구팀의 설명이다.
탄소섬유 페이퍼를 사용해 리튬메탈 전지를 제조한 결과, 내구성이 구리 박막을 사용한 전지보다 3배 이상 높았다. 구리 박막은 충·방전 사이클 약 100회 만에 발열이나 화재, 폭발로 이어질 수 있는 합선이 발생했지만, 탄소섬유 페이퍼는 300회 이상의 충·방전에도 안정적인 성능을 보였다.
전지의 효율을 나타내는 지표인 에너지 밀도도 탄소섬유 페이퍼를 사용한 리튬메탈 전지가 뛰어났다. 탄소섬유 페이퍼 전지의 에너지 밀도는 1㎏당 428Wh로, 구리 박막 전지(1㎏당 240Wh)보다 1.8배 높았다. 연구팀은 또 탄소섬유 페이퍼는 녹은 리튬을 빠르게 흡수할 수 있어 전극 제조공정을 간소화시킬 수 있다고 설명했다.
이성호 센터장은 "구리보다 탄소섬유의 밀도가 5배 낮고 가격도 저렴한 점을 고려할 때, 이번에 제안한 음극재는 내구성이 높고 경량화된 리튬메탈 전지 상용화를 앞당길 수 있는 중요한 성과"라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST의 나노소재기술개발사업으로 수행됐다. 연구 성과는 국제학술지 '어드벤스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 지난달 게재됐다.
[참고 자료]
Advanced Energy Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202203770