전기자동차의 보급 확대로 이차전지 수요가 폭발적으로 증가함에 따라 현재 가장 대중적으로 사용되고 있는 리튬이온 전지보다 용량이 크고 급속충전이 가능한 차세대 이차전지의 필요성이 커지고 있다.
리튬이온의 음극 소재인 흑연을 리튬메탈로 대체한 리튬메탈 전지는 이론적으로 리튬이온 전지보다 10배 높은 용량을 구현할 수 있다.
그러나 충·방전 중에 리튬 표면에 결정 돌기가 생성되면서 분리막을 찢는 현상이 나타나기 때문에 내구성과 안전성 문제가 있어 상용화되지 못하고 있다.
지스트(광주과학기술원, 총장직무대행 박래길) 신소재공학부 엄광섭 교수팀은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김진상) 탄소융합소재연구센터 이성호 센터장 연구팀과 함께 탄소섬유 페이퍼를 음극소재로 사용하여 리튬메탈 전지의 내구성을 3배 이상 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다.
연구진은 리튬메탈 전지의 음극 소재로 쓰이는 리튬메탈을 코팅한 구리 박막을 리튬메탈이 함유된 얇은 탄소섬유 페이퍼로 대체했다.
개발된 탄소섬유 페이퍼는 탄소 단섬유 위에 무기 나노입자인 비결정질 탄소와 탄산나트륨으로 표면처리를 하여 리튬 친화적인 특성을 가지는 동시에 리튬 수지상 결정이 뾰족하게 성장하지 못하도록 했다.
공동 연구진은 개발한 탄소섬유 페이퍼 음극소재를 사용한 결과, 구리 박막보다 3배 이상 높은 내구성을 갖는 리튬메탈 전지를 제조할 수 있었다.
구리 박막은 약 100회의 충·방전 사이클 이후에서 단락이 일어났지만, 새로 개발한 탄소섬유 페이퍼는 300 사이클 이상에서도 안정적인 성능을 보였다.
또한 구리 박막을 사용하는 리튬메탈 전지의 에너지 밀도를 240 Wh/kg에서 428 Wh/kg으로 약 1.8배 증가시킬 수 있었다.
나아가 녹은 리튬이 탄소섬유 페이퍼에 빠른 시간 내에 흡수되는 특성을 보여 전극 제조공정을 단순화시킬 수 있을 것으로 예상된다.
엄광섭 지스트 교수는 “이번 연구 성과는 구리보다 훨씬 가벼운 탄소섬유의 간단한 표면처리로도 리튬메탈음극용 집전체로써 충분한 안정성을 확보할 수 있다는 데 가장 큰 의의가 있다”면서 “향후 고에너지 리튬금속배터리의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업으로 수행되었으며,
연구결과는 국제학술지 ‘어드벤스드 에너지 머티리얼즈’(IF=29.698, JCR 상위 2.464%) 1월호에 게재되었다.