▲ 금속유리 코팅 유무에 따른 증착된 리튬 증착 형상차이 모식도

국내 연구진이 세계 최초로 금속유리를 이용한 이차전지 음극소재를 개발해 배터리 성능을 획기적으로 높이는데 성공했다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 한국기술교육대학교 김석준 교수 연구팀이 금속유리를 이차전지의 집전체와 리튬 음극 표면에 코팅하여 무음극 및 리튬메탈 이차전지의 수명을 향상하는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

전기차와 친환경 모빌리티 등 이차전지 수요가 크게 증가함에 따라 현재, 가장 많이 사용하는 리튬이온 전지보다 용량이 크고 충전이 빠른 차세대 이차전지 필요성이 높아지고 있다.

특히, 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해 부피와 무게를 많이 차지하는 음극재를 없애거나, 기존 음극재의 소재인 흑연을 리튬메탈 등으로 대체하는 기술 연구가 활발하다. 이와 같은 무음극 전지나 리튬메탈 이차전지는 일반적인 리튬 이온 전지에 비해 중량 에너지 밀도를 약 1.5배 높일 수 있다.

하지만, 리튬메탈이 지속적으로 전해질에 노출되고, 전해질과의 부반응으로 인해 리튬이 소모되어 전지 수명이 단축된다는 단점이 있었다.

김석준 연구팀은 금속유리는 액체와 유사하게 원자 배열에 규칙성이 없어서 결함이 매우 적기 때문에 균일한 표면을 갖고 내부식성 또한 매우 우수하다는 점에 주목했다.

이 물질을 집전체 및 리튬메탈 음극 표면에 코팅함으로써 충전 시 균일한 리튬 증착을 유도하였고, 그 결과 충전된 리튬과 전해질 간 접촉면적을 최소화해 셀 성능을 향상하는 데 성공했다.

또한, 금속유리는 우수한 내산화성으로 산화와 환원 반응이 활발히 일어나는 이차전지 내에서 리튬메탈 음극의 보호막 역할을 하여 전해질과의 부반응을 억제, 셀 수명을 획기적으로 향상시켰다.

연구팀은 유리처럼 무질서한 원자 배열구조를 가진 합금인 금속유리가 이차전지에서 최적의 코팅 물질임을 규명했다.

김석준 교수는 “현재 상용화된 이차전지를 제조하는 환경에서도 금속유리가 코팅된 리튬메탈을 적용할 수 있어서 리튬메탈 이차전지의 양산화에 큰 도움이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.