한국전기연구원 김병곤 박사팀
'1차원 중공 코어-다공성 쉘 탄소 나노섬유' 개발
고속 충·방전 조건에서 리튬 전·탈착 효율 향상
美최상위급 학술지 'ACS Nano' 표지논문 게재
한국전기연구원 차세대전지연구센터 김병곤 박사. KERI제공
한국전기연구원(KERI)은 차세대전지연구센터 김병곤 박사팀이 출력·안정성이 높은 대용량 리튬금속전지의 상용화를 앞당길 수 있는 '1차원 중공 코어-다공성 쉘 탄소 나노섬유' 개발해 성공했다고 29일 밝혔다.
관련 연구결과는 높은 수준을 인정받아 국제 저명 학술지에 표지논문으로 게재됐다고 덧붙였다.
KERI는 기존 리튬이온전지가 흑연 음극에 리튬 이온을 탈·삽입해 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(ESS) 등 대용량 전지가 필요한 분야에서 큰 관심을 받고 있다.
하지만 이 같은 장점에도 불구하고 리튬금속은 충·방전을 거듭할수록 나뭇가지 모양의 '수지상 결정'이 형성돼 점점 부피가 커지고, 이는 전지의 수명 저하와 내부 단락에 따른 화재·폭발 사고로 이어질 수 있는 단점이 있다.
김병곤 박사팀은 이를 해결하기 위해 개발한 기술은 '중공 코어(Core) 다공성 쉘(Shell) 구조의 탄소 나노섬유'다.
중공 코어 부분에는 리튬 친화성 물질인 금 나노 입자를 소량 첨가했다. 금은 리튬과 우선적으로 반응해 리튬의 성장 방향을 제어함으로써 리튬을 코어 내부에 저장할 수 있도록 도와주는 역할을 한다.
또 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 효율(Coulombic efficiency)을 크게 높일 수 있었다.
미국 화학회가 발행하는 재료과학분야 최상위급 SCI학술지 'ACS Nano' 8월호 표지논문으로 게재된 한국전기연구원의 리튬금속전지 연구결과. KERI 제공
김 박사팀은 문장혁 중앙대교수와의 협업을 통해 기술의 효과도 이론적으로 검증했다. 시뮬레이션 해석 결과, 고출력 조건에서도 쉘 기공과 리튬친화성 물질 덕분에 리튬이 코어 내부에 전착될 수 있다는 것을 검증한 것이다.
또 높은 전류밀도 조건(4C 입출력)에서도 500사이클(용량 유지율 82.5%) 이상의 우수한 성능을 확인했다. 소재 합성 과정에서 대량 생산에 유리한 합성법인 '전계방사법(electrospinning)'을 활용해 실용성도 확보했다는 것도 큰 의미가 있다.
김병곤 박사는 "리튬금속전지는 고용량이라는 장점에도 불구하고 안정성 문제로 상용화까지 넘어야 할 산이 많다"며 "이번 성과는 고속 충·방전 조건에서도 리튬 전·탈착 효율이 향상된 리튬 저장체를 대량으로 생산하는 기법을 개발했다는 측면에서 가치가 매우 크다"고 말했다.
이번 연구결과는 우수성을 인정받아 미국 화학회(American Chemical Society)가 발행하는 재료과학 분야 최상위급 SCI 학술지인 'ACS Nano' 8월호에 표지논문으로 게재됐다.
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