국내 연구진이 용량 한계에 부딪힌 리튬이온전지의 대안으로 연구되고 있는 '리튬금속전지'에 쓸 수 있는 안정성 높은 음극재를 개발했다. 리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 쓰는 전지로 현재 스마트폰과 전기자동차, 드론 등에 널리 쓰는 리튬이온전지보다 이론상 에너지 밀도가 10배 더 높다고 알려졌다.

18일 한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구단의 조원일 박사팀이 리튬-알루미늄 합금을 기반으로 안정성이 뛰어난 음극재를 개발했다고 밝혔다. 이 연구 결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances·10월 25일 자)에 실렸다.

▲ 이황화몰리브덴 기반의 인조보호막 소재가 전사된 음극재(왼쪽). 개발한 음극재로 만든 파우치 형태의 리튬금속전지(오른쪽)

리튬금속을 음극으로 사용하면 흑연 음극재를 쓰는 리튬이온전지보다 에너지 밀도를 크게 높일 수 있지만, 리튬금속의 높은 반응성 때문에 폭발하거나 수명이 줄어드는 문제가 생긴다. 리튬금속 음극의 안정성을 높여 이차전지에 활용하기 위한 연구가 오랫동안 진행돼왔으나 아직 획기적인 해법은 찾지 못하고 있다.

연구팀은 이 연구에서 리튬금속 대신 리튬과 알루미늄 합금을 음극으로 사용해 에너지 밀도와 안정성을 동시에 높이는 데 성공했다. 또 이황화몰리브덴을 리튬알루미늄 합금 표면에 일종의 인조보호막처럼 입혀 전지의 성능이 떨어지는 것도 막았다.

인조보호막은 전극 표면에 인위적으로 만든 수∼수천 나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 두께의 얇은 층으로 각 전극과 전해액 사이에서 일어나는 반응을 제어하는 역할을 한다. 연구진은 작년 이런 인공막을 그래핀계 소재로 제작했으나, 이번 연구에서는 양산성을 고려해 이황화몰리브덴으로 대체했다.

연구팀은 리튬알루미늄 합급과 이황화몰리브덴 보호막을 사용하고 전해질 시스템도 최적화란 리튬금속전지를 제작, 전지의 수명을 기존 리튬이온전지 대비 2배 이상 끌어올리는 데도 성공했다.

조원일 박사는 "기존 리튬이온전지의 용량 한계가 예상됨에 따라 리튬금속전지 개발 요구가 점차 증가하고 있다"면서 "차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지가 필요한 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템(ESS) 등의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다"고 말했다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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