▲ ACS Nano 8월호 표지논문으로 게재된 한국전기연구원의 리튬금속전지 연구결과

국내 연구진이 대용량 리튬금속전지에 들어가는 1차원 중공 코어 다공성 쉘 탄소나노섬유를 개발해 출력과 안정성을 높여 상용화에 한걸음 더 다가섰다.

한국전기연구원(KERI, 원장 직무대행 김남균) 차세대전지연구센터 김병곤 박사팀의 리튬금속전지 관련 연구결과가 높은 수준을 인정받아 국제 저명 학술지에 표지논문으로 게재됐다고 26일 밝혔다.

기존 리튬이온전지가 흑연 음극에 리튬 이온을 탈·삽입하여 에너지를 내는 구조라면, 리튬금속전지는 부피가 크고 무거운 흑연을 사용하지 않고, 리튬금속 자체를 음극으로 사용하는 전지다. 리튬금속 음극은 흑연 음극(372mAh/g)과 비교하여 이론상 저장용량이 10배 이상(3,860mAh/g) 높아 전기차나 에너지저장장치 등 대용량 전지 분야에 큰 관심을 받고 있다.

하지만 충·방전 시 리튬금속을 효과적으로 저장하지 못하면 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하는 일명 ‘수지상 결정(dendrite)’이 형성돼 부피가 커지는 문제가 있어 전지 수명 저하와 내부 단락에 따른 화재·폭발 사고로 이어질 수 있다.

KERI가 개발한 기술은 ‘중공 코어(Core) 다공성 쉘(Shell) 구조의 탄소 나노섬유’다. 먼저 ‘중공 코어’ 부분에는 리튬 친화성 물질인 ‘금’ 나노 입자를 소량 첨가했다. 금은 리튬과 우선 반응해 리튬의 성장 방향을 제어, 리튬을 코어 내부에 저장할 수 있도록 돕는다.

‘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 것이었는데, 연구팀은 쉘에 기공을 도입하여 고속 충·방전에서도 리튬의 수지상 성장 없이 전·탈착 효율을 크게 높일 수 있었다.

김병곤 박사팀은 중앙대 문장혁 교수와의 협업으로 기술 효과도 검증했다. 시뮬레이션 해석 결과, 고출력 조건에서도 쉘 기공과 리튬친화성 물질 덕분에 리튬이 코어 내부에 전착될 수 있다는 것을 검증했다. 또, 높은 전류밀도 조건에서도 500사이클 이상의 우수한 성능을 확인했다. 소재 합성 과정에서 대량 생산에 유리한 합성법인 ‘전계방사법’을 활용해 실용성도 확보했다는 것도 이번 성과의 큰 의의다.

김병곤 박사는 “리튬금속전지는 고용량이지만 안정성 문제로 인해 상용화까지 넘어야 할 산이 많다”며 “고속 충·방전 조건에서도 리튬 전·탈착 효율이 향상된 리튬 저장체 대량 생산기법 개발의 가치가 매우 크다”고 전했다.

이번 연구결과는 우수성을 인정받아 미국 화학회가 발행하는 재료과학 분야 최상위급 SCI 학술지인 ‘ACS Nano’ 8월호에 표지논문으로 게재됐다. 논문의 수준을 평가하는 ‘Impact Factor’는 18.027로, 해당분야 상위 5.8%에 속한다.