DGIST(총장 국양)는 이홍경·이용민·이호춘 에너지공학과 교수 공동연구팀이 차세대 배터리의 안정성과 수명 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 신개념 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다. 연구팀은 액상 전해질을 동적상태로 만들어 차세대 리튬금속전지의 난제인 '덴드라이트' 성장 문제를 해결하고 차세대 전지의 상용화를 앞당길 것으로 전망한다.

현재 전기차 등 대부분의 상용화된 배터리는 음극으로 흑연계 전극을 사용한다. 흑연계 음극은 배터리 내부에서 많은 무게와 부피를 차지하므로 에너지 밀도 측면에서 한계를 갖고 있다. 이로 인해 장시간 배터리 구동에 한계가 있어, 가볍고 적은 부피를 가지는 음극재에 대한 요구가 증가하고 있다.

'리튬금속'은 이런 문제를 해결할 수 있는 차세대 음극재로 각광받는다. 다만 리튬금속음극을 상용화하기엔 리튬 배터리의 충전 과정에서 음극 표면에 쌓이는 나뭇가지 모양의 결정체인 '덴드라이트'가 생성되는 문제가 있다. 이는 전해질 내 이온 전달 현상과 상관관계가 있어, 이온의 수송 속도가 빠르고 균질성이 향상될수록 덴드라이트 억제에 유리하다.

이에 연구팀은 전지 내에 정적인 전해액을 동적상태로 만들 수 있도록 외부 자기장에 감응하는 나노 크기의 교반 막대(NSB)를 제작하고, 이를 전해액에 첨가해 미세 대류를 발생시킬 수 있도록 했다. 실제로 외부에 회전 자기장을 가하면 원격으로 동력을 전달해 전해액 전반에 걸쳐 분포된 NSB를 회전시킬 수 있다.

연구팀은 NSB와 외부 자기장 공급을 통해 구현된 동적 이온 수송은 리튬 이온의 빠르고 균일한 수송이 가능해 덴드라이트 형성과 성장을 억제시키는데 효과적임이 검증됐다. 또 다양한 전해액에 첨가했을 때도 동일한 효과가 구현됨을 확인했다. 이에 더해 개발된 전해액으로 리튬금속전지 제작 후 외부에 회전자기장을 가하면서 구동시킨 결과, 기존 대비 수명 특성을 대폭 향상시킬 수 있었다.

이홍경 교수는 "자성나노입자를 통해 기존에 시도되지 않았던 동적인 전해액을 구현하고 전해액 연구 패러다임을 바꿀 수 있는 신개념 전해액 시스템이다"라며, "액상 전해질을 사용하는 다양한 전기화학 시스템에 즉시 활용될 수 있을 것"이라 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구, 기초연구실 및 나노·소재 기술개발사업과 함께 산업통상자원부 산업기술혁신사업, 포스코청암재단의 지원으로 수행됐다.