▲ 표면활성 구배형 전극에서 리튬저장 거동 및 전기화학 시뮬레이션

리튬이온전지의 음극재로 사용 중인 흑연을 에너지 밀도가 10배 이상 높은 리튬으로 대체하기 위한 노력이 활발한 가운데 국내 연구팀이 리튬 음극소재의 약점인 내구성을 높일 방법을 찾아냈다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 이종원 대구경북과학기술원 교수, 박민식 경희대 교수, 김정호 호주 울런공대 교수 공동 연구팀이 차세대 리튬금속전지의 수명을 향상시킬 3차원 리튬저장체 설계 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

리튬금속전극은 높은 이론용량에도 불구하고 충·방전 과정에서 지속적으로 전극 주변에 나뭇가지 모양의 리튬결정이 형성되면서 극심한 부피변화가 발생, 결국 전극의 성능저하로 이어지는 것이 문제였다.

때문에 넓은 표면적의 다공성 구조체에 리튬을 저장하는 방식으로 부피변화를 방지하려는 연구가 진행되고 있지만 리튬이 의도한 기공 내부가 아닌 구조체 표면에 불균일하게 증착되는 난관에 봉착했다.

이에 연구팀은 전기화학 시뮬레이션을 통해 3차원 구조체에서의 가역적인 리튬저장 기작을 찾아내고, 충·방전 수명 특성을 향상시킬 수 있는 ‘표면활성 구배’형 전극설계 기술을 제시하였다.

전극표면부터 내부로 들어갈수록 리튬이온이 리튬금속으로 환원 되는 성질, 즉 표면활성이 더 높아지도록 함으로써 선택적인 리튬금속의 증착을 유도, 리튬이 전극 하부부터 균일하게 저장될 수 있도록 한 것이다.

그 결과 반복적인 충·방전 시에도 리튬 수지상 형성 및 부피 변화가 발생하지 않아, 장기간 안정적인 성능이 유지되는 것을 실험적으로 검증했다.

연구팀에서 제시한 소재 및 전극 디자인 개념은 기존 리튬이온전지 대비 높은 에너지밀도와 우수한 수명 특성을 갖는 고효율 리튬금속전지를 구현에 도움이 될 것으로 기대되고 있다. 연구진은 이를 통해 향후 리튬금속전지가 핵심부품으로 사용될 전기자동차, 에너지저장시스템 등 다양한 분야의 산업에 기여할 것으로 전망했다.

한편 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응 기술개발사업과 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 9월 1일 온라인 게재됐다.