단국대 이병선(고분자시스템공학부) 교수팀이 고용량 리튬금속전지 수명을 기존보다 78% 향상시킨 호스트를 개발했다. 호스트란 리튬을 저장하는 공간이다.
리튬금속전지는 기존 리튬이온전지의 음극재를 흑연이 아닌 리튬으로 대체한 것. 리튬은 현재까지 알려진 음극재 중 최상급의 에너지 밀도(기존 대비 10배)를 가지며, 부피를 획기적으로 줄여 이차전지에 가장 적합한 소재로 주목받고 있다.
고에너지밀도 전지 및 전고체전지의 음극재로는 리튬금속이 가장 많이 연구되고 있다. 하지만 리튬금속은 충·방전을 거듭할수록 리튬 표면에 나뭇가지 모양으로 리튬이 수직으로 자라나는 일명 ‘수지상(dendrite)성장’이 발생해 전지의 수명과 안정성을 위협해 왔다.
이를 극복하기 위해 연구팀은 리튬 음극재에 3차원 은/탄소 나노섬유 호스트를 도입했다. 수지상 형성을 억제하기 위해서는 단위 면적당 전류밀도를 낮춰야 하는데 3차원 은/탄소 나노섬유 호스트를 도입해 면적을 증가시켰다. 또한 리튬과 친화도가 우수한 은나노입자로 면적 증가 효과를 높였다.
이에 더해 연구팀은 리튬 친화도가 낮은 백금 코팅층을 분리막에 도입했다. 수지상은 통상 수직적으로 전착되는데, 백금 코팅층 분리막 도입으로 은/탄소 나노섬유에 수평적이며 조밀하게 호스트가 형성되는 것을 확인했다.
연구팀은 호스트가 리튬금속전지의 수지상 성장을 억제하고 전기적 단락 및 폭발과 화재에 억제 효과가 있다는 것을 입증했다. 또한 고체-전해질 중간상(SEI) 형성을 억제해 리튬금속 전지의 수명도 대폭 개선했다.
또한 연구팀은 호스트를 통해 현재 상용화된 양극보다 더 높은 단위면적당 중량 및 용량을 가진 양극((≥5 mA h cm?2)과 완전지(full-cell)를 구성하여 리튬금속전지 수명을 78% 높이는 데 성공했다.
이병선 교수는 “이번 성과는 상용화된 카보네이트 전해질에서 고용량 리튬금속전지 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 호스트를 구현했다”라며 “이차전지 시장에 리튬금속전지 상용화를 앞당기는데 기여할 수 있는 기술로 의미가 크다”라고 밝혔다.
연구논문은 재료과학 및 다학제 연구분야 상위 5.5% (JCR, 2023년 기준)인 국제 저명 학술지 「ACS Nano(2023년 IF=15.8」 2024년 10월에 온라인 게재됐다. 논문명은 「Tailoring Lithium Horizontal Deposition for Long-Lasting High-Loading NCA (≥5 mA h cm?2)||Lithium?Metal Full Cells in Carbonate Electrolytes (카보네이트 전해질 기반 고용량 NCA (≥5 mA h cm?2)||리튬금속 완전지 구동을 위한 리튬 수평 전착 거동 설계)」.
한편 이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업 기본연구와 중견연구, 미래모빌리티분야 핵심기술을 위한 글로벌 인재양성사업 및 삼성SDI 지원을 받아 진행됐다.
/천안 이재경기자
