▲ (왼쪽부터) 신소재공학과 강지형 교수, 장진하 박사과정

국내 연구진이 장수명 리튬 금속 배터리에 활용되는 새로운 대칭성 이온성 액체 첨가제를 개발했다.

카이스트는 신소재공학과 강지형 교수와 박찬범 교수, 충남대학교 송우진 교수 공동연구팀이 장수명 리튬 금속 배터리를 구현했다고 22일 밝혔다.

리튬 금속 배터리는 기존 흑연 음극재를 리튬 금속 음극으로 대체한 배터리로, 기존에 비해 높은 에너지 밀도를 가지는 차세대 배터리다.

하지만 리튬 금속은 증착 시 발생하는 침상(dendrite)의 리튬이 내부 단락을 일으켜 배터리의 수명과 안전성을 저해시킨다는 문제점이 있었다.

이온성 액체는 이러한 침상의 리튬을 억제할 수 있는 유망한 첨가제다. 이온성 액체의 양이온은 리튬 팁에 흡착돼 알킬 사슬 기반의 반 리튬성 보호층을 형성하고 리튬 이온을 팁 주변으로 반발, 균일한 리튬 증착을 유도할 수 있다.

그러나 기존 이온성 액체는 비대칭적인 분자 구조를 가져 높은 양친매성(극성인 물과 비극성인 기름 모두에 친화적인 성질)을 보여 자가 응집 현상이 일어난다. 상대적으로 이온성 액체가 부족한 부분이 발생해 불완전한 보호층이 생기는 문제가 있었다.

▲ 대칭성 이온성 액체에 의해 형성되는 최적의 반리튬성 보호층에 의한 균일한 리튬 증착

강지형 교수 연구팀은 최적의 반리튬성 보호층을 형성하는 분자 구조가 대칭성을 띠는 이온성 액체 첨가제를 새롭게 개발해 침상의 리튬 성장을 억제하고 리튬 금속 배터리의 안정성을 크게 개선했다.

공동연구팀은 이온성 액체에 대칭성의 알킬 사슬을 도입해 양친매성을 완화했으며, 이에 따라 이온성 액체가 응집 현상 없이 균일한 반 리튬성 보호층을 형성한다는 것과 대칭 사슬 중에 ‘n-헥실 사슬’이 최적의 보호층을 만든다는 것을 확인했다.

연구에 따르면 대칭성의 이온성 액체 첨가제를 삼원계(니켈·고발트·망간) 배터리에 사용한 경우, 600 사이클 동안 쿨롱 효율 99.8%와 초기 용량의 80%를 유지하며 우수한 성능을 보였다. 또 250 사이클 동안 전극의 용량이 80% 이상 유지되는 높은 안정성을 보였다. 이는 기존 기술 대비 3배 향상된 결과다.

한편, 신소재공학과 장진하 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지 재료 분야 저명 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 2월10일 자 온라인판에 게재됐다.