더 오래 달리는 전기차…'리튬메탈 전지 내구성 3배 향상' 기술 개발

(무안=뉴스1) 조영석 기자 = 국내 연구진이 탄소섬유 페이퍼를 음극소재로 사용해 리튬메탈 전지의 내구성을 3배 이상 향상시키는 기술을 공동 개발했다.

지스트(광주과학기술원) 신소재공학부 엄광섭 교수팀은 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 이성호 센터장 연구팀과 함께 리튬메탈 전지의 내구성을 3배 이상 향상시키는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

리튬메탈 전지의 음극 소재로 쓰이는 리튬메탈을 코팅한 구리 박막을 리튬메탈이 함유된 얇은 탄소섬유 페이퍼로 대체한 기술로 전기자동차의 리튬금속배터리 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

연구진이 개발한 탄소섬유 페이퍼는 탄소 단섬유 위에 무기 나노입자인 비결정질 탄소와 탄산나트륨으로 표면처리, 리튬 친화적인 특성을 가지는 동시에 리튬 수지상 결정이 뾰족하게 성장하지 못하도록 했다.

연구진은 개발한 탄소섬유 페이퍼 음극소재를 사용, 구리 박막보다 3배 이상 높은 내구성을 갖는 리튬메탈 전지를 제조했다.

구리 박막은 약 100회의 충·방전 사이클 이후에서 단락이 일어났지만 새로 개발한 탄소섬유 페이퍼는 300 사이클 이상에서도 안정적인 성능을 보였다.

또 구리 박막을 사용하는 리튬메탈 전지의 에너지 밀도를 240 Wh/kg에서 428 Wh/kg으로 약 1.8배 증가시켰다.

실험결과 녹은 리튬이 탄소섬유 페이퍼에 빠른 시간 내에 흡수되는 특성을 보여 전극 제조공정도 단순화시킬 수 있을 것으로 보이다.

현재 전기자동차 시장에서는 기존의 리튬이온 전지보다 용량이 크고 급속충전이 가능한 차세대 이차전지의 필요성이 대두되면서 흑연을 리튬메탈로 대체한 리튬메탈 전지가 주목받고 있다.

리튬메탈 전지는 이론적으로 리튬이온 전지보다 10배 높은 용량을 구현할 수 있으나 충·방전 중에 리튬 표면에 결정 돌기가 생성, 분리막을 찢는 현상이 나타나기 때문에 내구성과 안전성 문제가 있어 상용화되지 못하고 있는 실정이다.

엄광섭 교수는 "이번 연구 성과는 구리보다 훨씬 가벼운 탄소섬유의 간단한 표면처리로도 리튬메탈음극용 집전체로써 충분한 안정성을 확보할 수 있다는 데 큰 의의가 있다"며 "향후 고에너지 리튬금속배터리의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업으로 수행됐다. 연구결과는 국제학술지 '어드벤스드 에너지 머티리얼즈' 1월호에 게재됐다.

kanjoys@news1.kr