단국대 이병선 교수팀, 고용량 리튬금속전지 수명 78% 향상 … 시장 상용화 앞당겨

단국대학교는 고분자시스템공학부 이병선 교수팀이 고용량 리튬금속전지 수명을 기존보다 78% 향상한 호스트(리튬 저장 공간)를 개발했다고 31일 밝혔다.

리튬금속전지는 기존 리튬이온전지의 음극재를 흑연이 아닌 리튬으로 대체한 것이다. 리튬은 현재까지 알려진 음극재 중 최상급의 에너지 밀도(기존 대비 10배)를 가지며, 부피를 획기적으로 줄여 이차전지에 가장 적합한 소재로 주목받는다.

고에너지밀도 전지와 전고체전지의 음극재로는 리튬금속이 가장 많이 연구되고 있다. 하지만 리튬금속은 충·방전을 거듭할수록 리튬 표면에 나뭇가지 모양으로 리튬이 수직으로 자라나는 일명 '수지상 성장'이 발생해 전지의 수명과 안정성을 위협해 왔다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 리튬 음극재에 3차원 은/탄소 나노섬유 호스트를 도입했다. 수지상 형성을 억제하기 위해서는 단위면적당 전류밀도를 낮춰야 하는 데 3차원 은/탄소 나노섬유 호스트를 도입해 면적을 증가시켰다. 리튬과 친화도가 우수한 은나노입자로 면적 증가 효과도 높였다.

또한 연구팀은 리튬 친화도가 낮은 백금 코팅층을 분리막에 도입했다. 수지상은 통상 수직적으로 들러붙는데 백금 코팅층 분리막 도입으로 은/탄소 나노섬유에 수평적이며 조밀하게 호스트가 형성되는 것을 확인했다.

연구팀은 호스트가 리튬금속전지의 수지상 성장을 억제하고 전기적 단락과 폭발, 화재에 억제 효과가 있다는 것을 입증했다. 또한 고체-전해질 중간상(SEI) 형성을 억제해 리튬금속 전지의 수명도 대폭 개선했다.

연구팀은 호스트를 통해 현재 상용화된 양극보다 더 높은 단위면적당 중량과 용량을 가진 양극((≥5㎃ h ㎝–2)과 완전지(full-cell)를 구성해 리튬금속전지 수명을 78% 높이는 데 성공했다.

이 교수는 "이번 성과는 상용화된 카보네이트 전해질에서 고용량 리튬금속전지 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 호스트를 구현한 것"이라며 "이차전지 시장에 리튬금속전지 상용화를 앞당기는데 이바지할 기술"이라고 말했다.

이번 연구 논문은 재료과학과 다학제 연구분야 국제 저명 학술지 'ACS 나노' 10월호에 온라인 게재됐다.

이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업 기본·중견연구, 미래모빌리티분야 핵심기술을 위한 글로벌 인재양성사업 및 삼성SDI 지원을 받아 진행됐다.