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폭발 위험성↓ 용량·수명↑ 리튬금속전지 상용화 '성큼'

KIST 조원일 박사팀, 리튬-알루미늄 음극재 개발 성공
소재 가격 낮추고 밀도 높여 시장 관심 높아
KIST 연구팀은 리튬과 알루미늄 합금 기반의 음극재를 개발하며 기존 리튬이온전지 대비 수명과 성능을 높인 리튬금속전지 상용화 가능성을 제시했다.<사진= KIST>KIST 연구팀은 리튬과 알루미늄 합금 기반의 음극재를 개발하며 기존 리튬이온전지 대비 수명과 성능을 높인 리튬금속전지 상용화 가능성을 제시했다.<사진= KIST>

기존 리튬이온전지 대비 수명이 2배이상 높은 차세대 전지시스템 '리튬금속전지' 개발이 속도를 더하게 됐다.

KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 조원일 에너지저장연구단 박사 연구팀이 리튬금속전지 상용화의 걸림돌이었던 물리화학적 불안정성을 제거할 리튬-알루미늄 합금 기반의 음극재를 개발했다고 17일 밝혔다.

리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 전지다. 리튬금속 음극물질은 현재까지 최상의 에너지 밀도를 갖는 것으로 알려진다. 산화 환원 전위는 매우 낮아 경량화, 대용량화가 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재로 기대를 모은 바 있다.

그러나 리튬금속 표면에서 발생하는 비정상적 결정인 덴트라이트로 전극 단락과 폭발 가능성이 제기돼 흑연 음극을 사용하는 리튬이온전지가 먼저 상용화됐다. 리튬이온전지는 지속적으로 기술개발이 이뤄졌다. 하지만 최근 단위 무게당 에너지 밀도를 높이기 어려운 한계점에 이르렀다.

전기자동차, 드론 등 다양한 분야에서 더 높은 성능의 고용량 전지가 요구된다. 각국의 연구자들은 리튬금속 음극의 전기화학적 안정성 확보를 위해 활발히 연구를 진행해 왔다.

KIST 연구팀은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄에서 문제 해결의 실마리를 찾았다. 기존 순수 리튬 금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어했다. 이를 통해 리튬금속전지의 용량과 수명을 늘렸다.

또 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS₂) 기반의 초박막 인조보호막을 형성해 전지 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴트라이트 성장을 억제했다. 초박막 인조보호막은 조원일 박사가 개발한 인공 고체-전해질 계면상으로 이미 지난해 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사해 성능과 안정성을 입증한 바 있다.

이번 연구에서는 인조보호막을 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮췄다. 복잡한 제조공정을 단순화하며 전지의 안정화에 연구력이 집중됐다.

조원일 박사는 "기존 리튬이온전지 용량 한계가 예상됨에 따라 리튬금속전지 개발의 요구가 점증하고 있다"면서 "차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지를 필요로 하듯 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템 등 발전에 기여할 수 있기를 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 KIST 주요사업과 무인이동체 미래 선도 핵심기술개발사업으로 수행됐다. 결과는 Science Advances 최신호에 게재됐다. 논문의 제1저자는 김문석 KIST 연구원(현 스탠포드대 박사과정), 교신저자는 조원일 KIST 책임연구원과 린든 아처 미 코넬대 교수다.
 
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