[ATN뉴스=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 대구경북과학기술원 에너지공학전공 이종원 교수, 경희대학교 박민식 교수, 호주 울런공대학교 김정호 교수 공동 연구팀이 차세대 리튬금속전지의 수명을 향상시킬 3차원 리튬저장체 설계 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

현재 리튬이온전지의 음극소재로 흑연이 사용되나 전기자동차 및 에너지저장시스템 산업의 발전으로 더 높은 에너지밀도의 이차전지를 개발하기 위해 흑연(372 mAh/g) 대비 10배 이상의 이론 용량(3,860 mAh/g)을 갖는 리튬금속의 음극소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

하지만 리튬금속전극은 충·방전 중 지속적으로 리튬 수지상이 형성되고 극심한 부피 변화가 발생해 전지성능이 저하될 수 있다.

리튬 수지상(lithium dendrite)은 리튬의 불균일한 증착과정에 의해 형성되는 나뭇가지 모양의 리튬 결정이다.

이를 해결하기 위해 넓은 표면적을 지니고 큰 부피의 기공을 갖는 3차원 구조체 내부에 리튬을 저장하는 기술이 많은 관심을 받고 있다.

하지만 충전할 때 리튬이 구조체 내부에 저장되지 못하고 표면에 불균일하게 증착되는 문제가 발생해 교체주기가 짧다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 전기화학 시뮬레이션을 통해 3차원 구조체에서의 가역적인 리튬저장 기작을 찾아내고 충·방전 수명 특성을 향상시킬 수 있는 표면활성 구배형 전극설계 기술을 제시했다.

연구과정을 보면 시뮬레이션 결과를 활용해 3차원 구조체 표면에서의 불균일한 리튬 증착을 효과적으로 억제하고 구조체 내부에 균일하게 리튬을 저장할 수 있는 새로운 표면활성 구배형 리튬금속 전극 개념을 확립했다.

표면활성 구배(interfacial activity gradient)는 전극표면에서 두께방향으로 갈수록 리튬 ‘이온’이 환원되어 리튬 ‘금속’으로 증착되는 정도인 표면활성이 증가하도록 한 것이다.

이후 3차원 구조체의 표면활성 구배 설계 기술을 적용해 리튬저장 반응이 전극 하부부터 균일하게 진행되고 반복적인 충·방전 시에도 리튬 수지상 형성 및 부피변화가 발생하지 않는 등 안정적인 수명 특성이 유지되는 것을 실험적으로 검증했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응 기술개발사업과 선도연구센터사업의 지원으로 수행됐고 에너지 분야 국제학술지 에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)에 9월 1일 게재됐다.