한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)이 물만으로 기존 리튬금속 음극 수명을 약 750% 향상시키는 세계 최고 수준 연구에 성공했다.
KAIST는 김일두 신소재공학과 교수팀이 이지영 아주대 교수와 친환경 공법으로 제조한 중공 나노섬유를 리튬금속보호막으로 사용, 리튬 성장을 안정화하고 차세대 리튬금속전지 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다고 2일 밝혔다.
리튬 금속 표면에 보호막을 적용해 리튬금속과 전해액간 계면을 인공 조성하는 기존 보호막 기술은 인체에 유해한 공정과 원가가 높은 재료가 필요하며, 리튬금속음극 수명을 높이는 데 한계가 있어왔다.
김일두 교수팀은 이 문제를 해결하고자 '리튬이온 성장을 물리·화학적 방법으로 제어할 수 있는 중공 나노섬유 보호막'을 제시했다.
이 보호막은 구아콩에서 얻는 천연 고분자 화합물인 구아검을 주재료로, 물 만을 사용한 친환경적인 전기방사 공법으로 제조됐다. 전기방사 공법은 전기방사는 고분자 용액에 전기장을 가해 고분자 섬유를 연속생산하는 공정이다.
특히, 나노섬유 보호막을 적용해 전해액과 리튬 이온 간 화학 반응을 효과적으로 제어했다. 또 섬유 내부 빈 공간을 활용해 리튬이온이 금속 표면에 무작위로 쌓이는 것을 억제함으로써 리튬금속 표면과 전해액 사이 계면 안정화를 동시 달성했다.
이 보호막을 적용한 리튬금속 음극은 기존 리튬금속 음극보다 수명이 약 750% 향상됐으며, 300회 반복 충·방전에도 약 93.3% 용량을 안정적으로 유지하는 세계 최고 수준 성능을 달성했다.
연구진은 자연에서 얻어진 이 보호막이 흙에서 약 한 달 내 완전히 분해됨을 입증, 보호막 제조~폐기 전 과정이 친환경적인 특성을 지녔음을 증명했다.
김일두 교수는 “물리·화학적 보호막 기능을 모두 활용했기에 더욱 효과적으로 리튬금속과 전해액 간 가역적인 반응을 유도하고 수지상 결정 성장을 억제해 획기적인 수명 특성을 가진 리튬금속음극을 개발할 수 있었다”며 “급증하는 배터리 수요로 인해 배터리 제조와 폐기로 인한 환경부하 문제가 심각하게 대두되고 있는 상황에서, 물만을 사용한 친환경 제조 방법과 자연 분해되는 특성은 차세대 친환경 배터리 상용화에 큰 기여를 할 것”이라고 말했다.
연구 결과는 KAIST 신소재공학과 졸업생인 이지영 박사(현 아주대 화학공학과 교수), 송현섭 박사(현 삼성전자)가 공동 제1 저자로 참여했다. 어드밴스드 머티리얼즈 11월 21일 36권 47호에 표지논문으로 선정됐다.
한편 이번 연구는 KAIST-LG에너지솔루션 프론티어 리서치 랩(FRL), 산업통상자원부 알케미스트 사업, 과학기술정보통신부 톱티어 연구지원사업 지원으로 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
