안전성·내구성 높인 차세대 리튬금속전지 기술 개발

지스트 엄광섭 교수팀, 기존 방식 고질적 문제 해결

리튬금속전지 안전성 향상 [지스트 제공]

(광주=연합뉴스) 여운창 기자 = 상용화된 리튬전지보다 용량이 더 크고 충방전 속도가 빠르며 폭발 가능성도 낮춘 차세대 이차전지 기술이 개발됐다.

광주과학기술원(지스트·GIST)은 5일 신소재공학부 엄광섭 교수팀이 고에너지 리튬금속전지의 고질적 문제를 해결하고 충·방전 내구성을 획기적으로 향상한 기술을 개발했다고 밝혔다.

배터리 충전시 발생하는 고체 전해질 계면'(SEI)을 처리하기 위한 기존 방식들은 비용이 많이 들고 최소 1시간에서 최대 12시간 이상의 처리 시간이 필요하다는 한계가 있다.

또 처리되지 않은 고체 전해질 계면은 일반적으로 기계적 강도가 약하고 리튬 이온의 확산 속도가 느린 점이 문제로 지적됐다.

이를 해결하기 위해 인공 고체 전해질 계면을 형성하려는 다양한 연구가 이뤄졌으나 대부분 단일 성분으로 이루어진 계면 층 형성에 초점이 맞춰졌다.

연구팀은 염화리튬 등 세 가지 주요 성분의 상호작용을 통해 다중 성분 무기 고체 전해질 계면을 구현해 리튬금속전지의 고질적 문제로 전지단락 현상을 일으켜 폭발로 이어질 수 있는 리튬 덴드라이트 형성을 억제하고, 충방전 성능과 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 방법을 제시했다.

엄광섭 교수(왼쪽), 이창현 박사과정 [지스트 제공]

이 과정에서 생성된 다중 무기 고체 전해질 계면 층은 리튬의 균일한 전착을 유도하며, 리튬 확산을 원활하게 해 전지의 긴 수명을 보장한다고 연구팀은 설명했다.

기존보다 2.2배 낮은 고체 전해질 계면 저항과 약 7배 높은 리튬 이온 확산 속도를 보여, 리튬금속전지의 충·방전 성능을 높였으며 수명을 1천시간 이상 연장했고 용량 보유율도 30% 향상된 것으로 나타났다.

엄광섭 교수는 "간단한 전기화학적 처리법으로 기존 문제를 해결할 수 있는 새로운 대안을 제시했다"며 "차세대 리튬금속 전지뿐만 아니라 나트륨, 알루미늄, 아연 등 다양한 금속 음극을 사용하고자 하는 차세대 배터리에도 적용할 수 있다"고 말했다.

GIST 신소재공학부 엄광섭 교수가 지도하고 이창현 박사과정생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행했다.

연구 성과는 지난달 25일 화학공학 분야의 권위 있는 국제학술지 '화학 공학 저널'(Chemical Engineering Journal)(JCR 상위 3.7%)에 온라인 게재됐다.

betty@yna.co.kr

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