음극재 없애 용량 60% 높이는 차세대 리튬전지 개발

김희탁 KAIST 교수 연구팀

[아시아경제 김봉수 기자] 한국 연구진이 음극재를 없애 에너지 저장 용량을 획기적으로 높이는 차세대 리튬 전지의 핵심 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KAIST)은 김희탁 생명화학공학과 교수 연구팀이 음극재가 없는 고에너지밀도 리튬 배터리 구동을 위한 음극 집전체 구조를 개발하고, 그 작동원리를 규명했다고 7일 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난달 20일 온라인 게재돼 국제적 인정도 받았다.

음극재가 없는 리튬 전지(Anode-free Li battery)는 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용되는 리튬이온전지의 많은 부피와 무게를 차지하는 흑연 음극재를 없앤 차세대 구조의 전지다. 그 대신에 음극 활물질을 저장해두는 구리 집전체만이 음극 부품으로 들어가며, 집전체 위에 높은 에너지밀도를 가지는 리튬 금속 형태로 에너지가 저장된다. 기존 전지와 비교해 60% 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다는 점 때문에 산업계와 학계에서 활발하게 연구가 진행되고 있다.

하지만 리튬 이온이 흑연에 저장되지 않고 리튬 금속 형태로 음극에 저장될 경우, 리튬 금속의 수지상 성장으로 인해 지속적으로 비가역적인 리튬의 손실이 발생하며 충·방전 효율을 크게 떨어뜨리는 문제점이 발생한다. 또 반응성에 차이가 있는 구리와 리튬 사이에 미세전류가 흐르면서 리튬의 부식과 동시에 구리 표면에서 전해액이 분해되는 '갈바닉 부식(Galvanic corrosion)'이 발생한다.

연구팀은 3차원 음극 집전체 표면의 일함수(고체의 표면에서 전자를 빼내는 데 필요한 에너지)를 높여 리튬의 수지상 성장을 억제하고 집전체 표면에서 리튬과 전해액의 부식을 억제할 수 있음을 규명하고 음극재 없는 리튬전지의 구동이 가능함을 검증했다. 탄소 집전체 표면에 인위적으로 탄소 결함 구조를 도입해 일함수를 높였다. 전자가 집전체 표면으로부터 탈출하기 어려워져 전해질이 전자를 받아 분해되는 환원반응이 크게 억제되는 현상을 확인했다. 동시에 일함수가 낮은 특성을 가지는 리튬 금속과는 강하게 상호작용을 하면서 집전체 위에 리튬 금속의 균일한 성장을 유도하고 안정적으로 에너지를 저장할 수 있음을 검증했다. 연구팀은 개발된 집전체를 통해 기존 구리 집전체 대비 월등하게 높은 성능을 보여줬고, 동시에 극미량의 전해액만이 전지 내에 주입되는 희박 전해액 환경에서도 구동할 수 있음을 확인했다.

김희탁 교수는 "이번 연구 결과는 리튬 배터리의 궁극적 형태인 음극재 없는 리튬 배터리의 구현을 위한 집전체 설계 방향을 새롭게 제시했다는 점에서 중요한 의미가 있다"며 "이를 바탕으로 다양한 차세대 리튬 전지의 음극 설계에 응용되기를 기대한다"고 말헀다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr