[사이테크 플러스] 리튬이온전지 충전용량 2배 높이는 기술 개발

KIST 조원일 박사 "전지 성능·안정성 향상 원천기술"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 한국과 미국 공동연구팀이 스마트폰과 전기자동차, 드론 등에 널리 쓰이는 리튬이온전지의 충전용량을 2배 이상 높인 리튬금속-이온전지를 개발했다.

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 [한국과학기술연구원 제공=연합뉴스]

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) [한국과학기술연구원 제공=연합뉴스]

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