광주과학기술원(GIST)과 조지아공과대학 공동 연구팀이 리튬이온전지의 음극 소재를 바꾸는 새로운 음극 제작 공정을 개발했다. 기존 리튬이온전지보다 안정성은 높고 수명도 3배 높이는 데 성공했다.
엄광섭 GIST 신소재공학부 교수 연구팀과 톰 풀러(Tom Fuller) 조지아공과대학 교수 공동 연구팀은 리튬금속 음극의 여러 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.
현재 사용되는 리튬이온전지는 흑연을 음극 소재로 쓴다. 음극 소재는 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 전류를 흐르도록 하는 장치로 배터리 충전 속도와 수명에 큰 영향을 끼친다. 하지만 흑연은 이론적으로 한계 용량에 거의 도달해 더 이상의 성능 개선을 기대하기 힘들다. 리튬이온전지의 성능을 높이려면 새로운 음극 소재를 찾아야 한다.
흑연 대신 리튬 금속을 음극 소재로 쓰는 리튬금속전지는 이론적으로 리튬이온전지보다 10배 높은 음극 용량을 구현할 수 있다. 하지만 리튬금속전지의 충·방전 중 리튬의 수지상 결정 성장이 일어나 전지의 단락을 일으키는 문제가 있었다. 리튬 수지상 결정은 리튬금속전지를 충전하는 과정에서 전극에 리튬이 불균일하게 전착되며 나뭇가지처럼 성장하는 현상으로 배터리 화재의 주된 원인이다.
연구팀은 전해질 첨가제로 사용한 티오요소(Thiourea)의 전기화학적 산화를 유도해 음극 집전체 표면에 구리 황화물을 형성시켰다. 이렇게 만들어진 리튬금속 음극은 수지상 결정 성장을 효과적으로 막는 것으로 확인됐다.
연구팀은 리튬금속 음극을 이용해 기존 구리 집전체 기반 리튬금속 음극보다 3배 이상의 수명을 갖는 리튬금속전지를 만드는 데 성공했다. 기존의 구리 집전체를 사용하는 경우 높은 전류밀도에서 147회 충․방전 사이클부터는 발현 용량이 급속도로 줄어들었지만, 새로운 처리 기법으로 만든 리튬금속 음극은 425회 충․방전 사이클 이상에서도 초기 용량 대비 85% 이상의 용량을 보였다.
연구를 진행한 엄광섭 교수는 “외부 공정의 추가 없이 배터리 셀 내부에서 간단한 전기화학 처리만으로도 리튬금속전지의 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 방법”이라며 “기존 리튬이차전지 보다 에너지 밀도가 2배 이상 높은 리튬금속전지를 향후 자동차 또는 에어로모빌리티(aeromobility) 등에 활용하기 위해 안정성과 수명을 개선한 방법 중 비용과 시간을 가장 쉽게 줄일 수 있을 것”이라고 말했다.
참고 자료
Small Structures(2024), DOI : http://doi.org/10.1002/sstr.202400254