국내 연구진이 고체와 액체의 성질을 모두 가진 전해질을 이용해 리튬금속전지의 수명과 안전성을 모두 확보할 수 있는 원천 기술을 개발했다. 차세대 이차전지인 리튬금속전지 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.
한국화학연구원(원장 이규호)은 김동균 그린화학소재연구본부 박사팀이 이종찬 서울대 화학생물공학부 교수팀과 함께 차세대 리튬금속전지에 새로운 전해질을 적용, 성능을 높이는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.
리튬금속전지는 리튬이온전지와 달리 음극재로 흑연 대신 리튬 금속을 사용한다. 리튬금속의 이론 용량은 g당 3860밀리암페어아워(mAh)로, 흑연의 10배 수준이다. 기존 전지의 용량 문제를 극복할 수 있다.
문제는 안전성이다. 충·방전 과정에 리튬 금속 표면에 나뭇가지 형태의 결정이 형성되는데 이는 전지의 수명을 단축시키고 내부 단락을 일으키는 원인이 된다. 기존에 쓰인 액체 형태의 전해질은 결정의 성장을 물리력으로 막을 수 없다. 이 때문에 고체 전해질을 쓰는 방법이 고안됐지만 이온 전도도가 낮아 성능이 떨어진다. 제조 공정도 복잡하다.
연구팀은 고체와 액체의 성질을 모두 띠는 전해질을 고안, 문제를 해결했다. 고분자 구조에 액체 전해액이 포함된 불소계 겔 고분자전해질을 기반 물질로 사용했다. 이 겔 형태의 물질은 기존의 액체 전해질과 달리 결정의 성장을 막고, 전해액 누액 문제가 발생하지 않는다.
여기에 붕소와 질소가 안정 결합된 판상 형태의 물질인 보론나이트라이드를 약 0.5% 첨가했다. 보론나이트라이드는 겔 고분자전해질의 이온 전도도를 극대화하는 역할을 한다.
연구팀은 두 가지 물질이 잘 섞이게 하기 위해 2차원 나노플레이크 형태의 보론나이트라이드를 전해질에 고르게 분산하는 방법을 썼다. 또 보론나이트라이트 표면에 겔 고분자전해질과 유사한 불소계 고분자 사슬을 도입했다.
새로운 기술을 적용한 리튬금속전지는 일반 속도보다 10배 빠른 속도로 500회 이상 충·방전해도 성능을 유지했다. 결정도 생기지 않았다. 기존 리튬금속전지는 100회 이내에서 성능이 저하되고, 초기 용량도 적은 것이 단점이었다.
김동균 박사는 “이번 연구를 통해 리튬금속전지의 결정 성장을 효과 높게 제어할 수 있게 됐다”면서 “리튬금속전지뿐만 아니라 리튬황전지, 리튬공기전지 상용화에도 적용할 수 있다”고 설명했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
