GIST "2분 공정으로 리튬금속전지 고속 충전·긴 수명 동시 확보"

(광주=뉴스1) 조영석 기자 = 엄광섭 광주과학기술원(GIST) 차세대에너지연구소장 연구팀이 리튬금속 전지 음극에서 리튬 이동과 안정성을 결정하는 계면을 단 2분 만에 형성하는 기술을 개발했다고 9일 GIST가 밝혔다.

연구팀은 배터리 음극에서 전류를 전달하는 구리 표면에 주석(Sn)을 극소량 도입해 나노와이어 전구체(SCN) 구조를 형성, 안정적인 계면을 간단한 공정으로 구현할 수 있음을 입증했다.

리튬이온전지는 크기와 무게에 비해 많은 에너지를 저장할 수 있어 전기차(EV)와 에너지저장장치(ESS) 등에 주로 사용된다. 그러나 흑연으로 만든 음극의 구조적 특징으로 인해 에너지 저장에 한계가 있어 기존 리튬이온전지를 넘어서는 차세대 고에너지 배터리 기술에 대한 관심이 커지고 있다.

연구팀은 흑연 대신 리튬 금속을 음극으로 사용하는 '리튬금속 전지'에 주목, 리튬 이온이 빠르고 균일하게 이동하도록 제어할 수 있는 새로운 전극·계면 설계 기술을 개발했다.

연구팀은 주석을 원자 수준으로 도입, 재료가 과도하게 섞이거나 변형되는 문제 없이 리튬이 잘 달라붙는 음극 계면을 만드는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀은 또 리튬 이온이 이동하는 속도를 기존 구리 계면보다 약 24배 빠르게 만들어 리튬금속 전지의 오래된 문제로 꼽혀 온 리튬이 고르게 쌓이지 않는 현상과 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있었다고 전했다.

리튬인산철(LFP) 양극을 적용한 실제 배터리 시험 결과, 1시간 이내에 충·방전이 이뤄지는 고속 조건(1.0C)에서 480회 사용한 후에도 초기 용량의 98.2%를 유지하는 결과를 보였다.

이는 고속 충전과 긴 배터리 수명을 동시에 확보했다는 점에서 전기차와 에너지저장장치 등 산업 현장의 배터리 제조 공정에 바로 적용할 수 있는 실용적 기술이 될 것으로 기대된다는 연구팀의 설명이다.

엄 소장은 "이번 연구는 리튬금속 전지 상용화의 가장 큰 난제로 꼽혀 온 덴드라이트 형성 문제를 리튬 음극의 전기화학적 계면 설계만으로 효과적으로 해결할 수 있음을 입증했다는 점에서 의미가 크다"며 "기존 리튬이온전지보다 2배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있는 리튬금속 전지의 상용화를 앞당기는 데에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

엄 소장이 지도하고 이창현 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구 결과는 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리어얼즈'(Energy Storage Materials) 온라인판에 지난달 29일 게재됐다.

기술이전 관련 협의는 GIST 기술사업화센터를 통해 할 수 있다.

kanjoys@news1.kr