전기연, 김병곤 박사 연구팀 저장용량 10배 이상 높여
중공 코어 다공성 쉘 구조 탄소 나노섬유 개발
전기차·에너지저장장치 등 대용량 전지 필요 분야 관심

한국전기연구원 차세대전지연구센터 김병곤 박사팀의 '리튬금속전지'관련 연구결과가 미국 화학회가 발행하는 국제학술지 'ACS Nano' 8월호 표지논문에 게재됐다. [사진=한국전기연구원]
한국전기연구원 차세대전지연구센터 김병곤 박사팀의 '리튬금속전지'관련 연구결과가 미국 화학회가 발행하는 국제학술지 'ACS Nano' 8월호 표지논문에 게재됐다. [사진=한국전기연구원]
국내 연구팀이 리튬이온전지의 단점들을 극복 가능한 '리튬금속전지' 기술을 개발하며 해외에서도 연구 결과에 주목하고 있다.

리튬금속전지는 기존의 리튬이온전지와는 다르게 부피가 크고 무거운 흑연을 사용하지 않고, 리튬금속 자체를 음극으로 사용한다. 리튬금속 음극은 흑연 음극과 비교해 이론상 저장용량이 10배 이상 높아 전기차 등 대용량 전지가 필요한 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 

이런 장점에도 충·방전 시 리튬금속을 효과적으로 저장하지 못하면 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하는 '수지상 결정'이 형성돼 부피가 커지는 문제가 발생한다. 이는 전지의 수명 저하와 내부 단락에 따른 화재·폭발 사고로 이어질 수 있다.

한국전기연구원(원장 김남균 직무대행)은 김병곤 차세대전지연구센터 박사팀이 '중공 코어(Core) 다공성 쉘(Shell) 구조의 탄소 나노섬유'를 개발하고 출력과 안정성을 높인 리튬금속전지 대량생산 가능성을 열었다고 29일 밝혔다.

연구팀은 중공 코어 부분에 리튬 친화성 물질인 '금' 나노 입자를 소량 첨가했다. 금은 리튬의 성장 방향을 제어하며 코어 내부에 저장할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. '쉘' 부분에는 리튬 이온의 자유로운 이동을 위해 기공을 만들었다. 연구팀은 쉘에 기공을 도입해 기존의 중공 코어-쉘 구조가 고속 충·방전 조건에서 리튬 이온이 표면에 전착되는 문제를 해결했다. 연구팀에 의하면 실제  고속 충·방전에서도 리튬의 수지상 성장 없이 전·탈착 효율이 크게 높아졌다.

문장혁 중앙대 교수와의 협업을 통해 연구팀은 시뮬레이션으로 기술을 이론적으로 검증했다. 또 소재 합성 과정에서 대량 생산에 유리한 합성법인 '전계방사법(electrospinning)'을 활용해 실용성도 확보했다.

연구팀은 향후 전해질 분야에서도 안정적인 리튬 전·탈착을 가능케 하는 기능성 전해액 개발을 추진하는 등 리튬금속전지의 상용화를 위해 노력할 전망이다.

김병곤 박사는 "리튬금속전지는 고용량이라는 장점에도 불구하고, 안정성 문제로 인해 상용화까지 넘어야 할 산이 많다"며 "이번 성과는 고속 충·방전 조건에서도 리튬 전·탈착 효율이 향상된 리튬 저장체를 대량으로 생산하는 기법을 개발했다는 측면에서 가치가 매우 크다"고 전했다.

이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업과 전기연 기본사업으로 진행됐다. 연구결과는 국제 학술지 'ACS Nano' 8월호 표지논문에 실렸다.

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