KIST 조원일 박사 "전지 성능·안정성 향상 원천기술"
한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 조원일 박사팀은 25일 미국 코넬대 린든 아처 교수팀과 함께 리튬금속을 음극으로 사용해 에너지밀도를 기존 리튬이온전지보다 2배 이상 높이고, 1천200회 이상 충·방전해도 초기대비 80% 이상의 성능을 유지하는 리튬금속-이온전지를 개발했다고 밝혔다.
리튬금속 표면 인조보호막 형성 과정 |
리튬금속을 음극으로 사용하면 흑연을 사용할 때보다 이론상 에너지용량을 10배 이상 높일 수 있지만 리튬금속의 높은 반응성 때문에 음극 표면에 리튬금속이 서릿발처럼 형성되면서 폭발을 유발하거나 수명을 단축시키는 문제가 생긴다.
연구팀은 이 연구에서 리튬금속 표면에 그래핀을 기반으로 개발한 일종의 인조보호막을 덧입혀 전지의 성능과 안정성을 크게 높이는 데 성공했다.
이 인조보호막(인공 고체-전해질 계면상)은 양극이나 음극 표면에 인위적으로 만든 수∼수천 나노미터(㎚=10억분의 1m) 두께의 얇은 층으로 각 전극과 전해액 사이에서 일어나는 반응을 제어하는 역할을 한다.
연구팀은 또 인조보호막과 함께 양자역학적 계산을 활용해 리튬금속-이온전지에 가장 적합한 최적의 전해질 배합도 개발했다.
이렇게 만든 리튬금속-이온전지는 기존 리튬이온전지보다 에너지밀도가 2배 이상 높고 충·방전을 1천200회 반복한 뒤에 초기 성능 대비 80%를 유지하는 것을 확인됐다.
이를 파우치형태 전지로 제작해 리튬금속의 양을 상용화된 리튬이온전지 수준으로 줄여도 200회 이상 충·방전이 가능한 것으로 나타났다.
연구팀은 이 연구가 리튬이온전지의 에너지 저장능력 한계를 넘어서는 고용량·장수명 전지의 개발과 리튬금속-이온전지을 포함한 리튬-황전지, 리튬-공기전지 등 차세대 전지산업 발전에도 기여할 것으로 기대하고 있다.
조원일 박사는 "이 연구결과는 차세대 전지의 성능과 안정성을 크게 향상할 수 있는 원천기술을 개발한 것"이라며 "드론, 자율주행차, 무인잠수정 등 무인이동체를 비롯한 다양한 산업으로 파급될 수 있을 것"이라고 말했다.
과학기술정보통신부 무인이동체 미래선도 핵심기술개발사업과 KIST 미래원천기술연구 지원으로 수행된 이 연구 결과는 이날 국제학술지 '네이처 에너지'(Nature Energy) 온라인판에 게재됐다.
KIST 조원일 박사(왼쪽.교신저자)와 김문석 연구원(제1저자) |
scitech@yna.co.kr
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