리튬금속전지와 리튬이온전지의 차이가 뭘까요?
기존 리튬이온전지가 흑연 음극에 리튬 이온을 탈·삽입해 에너지를 내는 구조입니다. 리튬금속전지는 부피가 크고 무거운 흑연을 사용하지 않습니다. 대신 리튬금속 자체를 음극으로 사용하는 전지입니다. 리튬금속 음극은 흑연 음극(372mAh/g)과 비교해 이론상 저장용량이 10배 이상(3,860mAh/g) 높습니다. 전기차나 에너지저장장치(ESS) 등 대용량 전지가 필요한 분야에서 큰 관심을 받고 있습니다.
하지만 이러한 장점에도 불구하고, 충·방전 시 리튬금속을 효과적으로 저장하지 못하면 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하는 일명 '수지상 결정(dendrite)'이 형성되는 문제가 발생합니다. 이로 인해 부피가 점점 커지죠. 이는 전지의 수명을 저하시키고 내부 단락에 따른 화재·폭발 사고로 이어질 수 있습니다.
이를 해결하기 위해 KERI가 개발한 기술은 '중공 코어(Core) 다공성 쉘(Shell) 구조의 탄소 나노섬유'입니다. 먼저 '중공 코어' 부분에는 리튬 친화성 물질인 '금' 나노 입자를 소량 첨가했습니다. 금은 리튬과 우선적으로 반응하여 리튬의 성장 방향을 제어함으로써, 리튬을 코어 내부에 저장할 수 있도록 도와주는 역할을 합니다.
'쉘' 부분에는 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있도록 일종의 구멍인 '기공'을 만들었다. 기존 중공 코어-쉘 구조가 가진 큰 문제가 고속 충·방전 조건에서 리튬 이온이 탄소물질인 쉘과 만나면 쉘 표면에 전착되는 것이었는데요. 연구팀은 쉘에 기공을 도입하여 고속 충·방전에서도 리튬의 수지상 성장 없이 전·탈착 효율(Coulombic efficiency)을 크게 높일 수 있었습니다.
김병곤 박사팀은 중앙대 문장혁 교수와의 협업을 통해 기술의 효과도 이론적으로 검증했습니다. 시뮬레이션 해석 결과, 고출력 조건에서도 쉘 기공과 리튬친화성 물질 덕분에 리튬이 코어 내부에 전착될 수 있다는 것을 확인했습니다. 또한, 높은 전류밀도 조건에서도 실사용 혹은 상품 가치를 가질 수 있는 충·방전 횟수 이상의 우수한 성능을 확인했습니다. 소재 합성 과정에서 대량 생산에 유리한 합성법인 '전계방사법(electrospinning)'을 활용해 실용성도 확보했다는 것도 성과입니다.
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 전했습니다.
이번 연구 결과는 미국 화학회(American Chemical Society)가 발행하는 재료과학 SCI 학술지인 'ACS Nano' 8월호에 표지 논문으로 게재됐습니다.
