리튬이온전지보다 에너지 밀도가 10배 이상 높은 리튬금속전지 상용화를 앞당길 핵심기술이 개발됐다.
포스텍은 박수진 화학과 교수와 이정인 박사가 울산과학기술원(UNIST) 연구팀과 공동으로 리튬 금속 음극의 단점인 폭발을 원천 차단할 리튬 전도성 유무기 복합 보호층을 개발하는데 성공했다고 22일 밝혔다.
연구팀은 또 차세대 고용량 양극 물질을 사용해 고속 충전과 고출력이 가능한 리튬 금속 전지를 구현했다. 이 기술이 확장된다면 성능 좋고 안전한 리튬 금속 전지의 상용화가 앞당겨져 전기차나 휴대용 디스플레이 배터리로 활용될 전망이다.
일반 리튬 이온 전지에는 음극체로 흑연이 들어간다. 흑연 대신 금속을 음극으로 사용하게 되면 질량 대비 10배, 부피대비 3배 이상 용량이 늘어나 작은 크기의 배터리로도 효율을 획기적으로 올릴 수 있게 된다. 하지만 금속을 음극체로 쓰게 되면 리튬 반응성이 좋아져 배터리 충전 시 리튬을 반대 방향으로 보내게 되는데, 보내진 리튬이 반대편에서 바늘처럼 뾰족뾰족하게 자라게 된다. 이렇게 되면 날카로운 리튬이 분리막을 뚫어 셀이 폭파되거나 망가져 기능을 잃게 되는 현상이 일어난다.
연구팀은 이런 현상을 막기 위해 리튬 전도성 무기(리튬 티타늄 산화물 Li2TiO3, LT층)·유기(불소계 수지PVDF-HFP) 복합막을 개발해 충전과 방전을 계속하는 동안 바늘처럼 뾰족하게 리튬이 자라나는 현상인 수지상 결정을 근본적으로 차단했다.
복합막이 리튬이 자라지 않고 빈 공간을 채우며 셀 안에만 머물도록 돕기 때문에 전지의 안정성을 확보하고 수명도 늘어난다. 또 다양한 차세대 고용량, 고전압 양극물질를 사용해 고속충전과 고출력이 가능한 리튬 금속 전지를 구현하는 데도 성공했다.
이번에 개발한 복합막인 리튬 전도성 무기층은 기존 카보네이트계 전해액에도 그대로 적용할 수 있다. 기존 시스템을 많이 바꾸지 않고 사용할 수 있어 비용부담없이 상용화 가능하다.
박수진 교수는 “이번에 개발된 리튬 이온 전도성 무기·유기 복합막은 손쉽게 차세대 전지에 적용할 수 있는 기술로 리튬 금속 전지 상용화에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
