차세대 리튬금속전지 상용화 앞당기는 원천기술 개발

머니투데이

대전=허재구 기자

한국화학연구원 김동균 박사 연구팀은 서울대학교 이종찬 교수(화학생물공학부) 연구팀과 공동으로 차세대 리튬금속전지의 성능 및 안전성을 모두 확보할 수 있는 '겔고분자전해질 첨가제 원천기술'을 개발했다고 18일 밝혔다.

'리튬금속전지'는 차세대 이차전지 중 하나로 주목받고 있지만 충·방전 과정에서 리튬금속 표면에 나뭇가지 형태의 결정이 형성돼 수명을 단축시키고 내부단락을 일으켜 화재나 폭발 등 안전 문제를 야기해 상용화에 걸림돌로 작용해왔다.

연구 성과가 게재된 Energy & Environmental Science 誌 뒷면 표지./자료제공=한국화학연구원

하지만 이들 공동연구팀은 나뭇가지 형태의 결정이 성장하는 것을 억제하기 위해 전지의 전해질과 관련된 새로운 기술을 개발했다.

기존 액체 전해질 대신, 불소계 겔고분자전해질에 보론나이트라이드를 소량(0.5%) 첨가, 리튬금속전지의 수명과 안전성을 크게 향상시킨 것.

연구팀은 보론나이트라이드를 2차원의 나노플레이크로 만들어 겔고분자전해질 내에 고르게 분산시켜 첨가했다.

두 물질이 잘 섞일 수 있도록 보론나이트라이드 표면에 겔고분자전해질과 유사한 불소계 고분자 사슬을 도입했다.

리튬 결정 성장을 막기 위해 기존에는 고체 전해질을 사용, 리튬 결정이 뻗어나오는 것을 물리적으로 막고, 리튬 양이온이 이동하는 비율을 상대적으로 높여 왔지만 제조공정이 복잡하고 이온전도도가 낮아 성능이 저하된다는 단점이 있었다.

연구진은 불소계 겔고분자 전해질에 보론나이트라이드를 0.5% 첨가해 고체와 액체의 중간 정도의 물성을 가지면서도 전해질의 특성을 단단하게 만들 수 있었다.

이를 통해 이온 전도도는 높지만 결정의 성장을 막지 못하는 액체 전해질과 단단하면서도 이온 전도도가 낮아 성능이 떨어지는 고체 전해질의 단점들을 모두 보완할 수 있었다.

화학(연)의 김동균 박사는 "기존 기술의 이 같은 문제점을 극복하기 위해 전세계적으로 다양한 연구가 진행됐지만 불소계 겔고분자 전해질에 보론나이트라이드를 첨가, 단점을 보완한 기술은 처음"이라며 "이 기술은 차세대 리튬금속전지 뿐만 아니라 리튬황전지, 리튬공기전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 에너지·환경 분야 최고 권위지인 'Energy & Environmental Science'의 지난 9월호에 뒷면 표지논문으로 선정됐다.