국내 연구진, 리튬금속 이차전지 수명·출력 한계 돌파구 마련…세계 전기차 선도 발판

군산대 화학과 이경구 교수 연구팀, 기초과학연구원 공동연구

국내 연구진이 차세대 이차전지로 꼽히는 '리튬금속 이차전지'의 수명과 출력을 개선하는 기술 개발에 성공했다. 국내 전기자동차 제조사와 이차전지 제조사들이 세계 전기차 시장을 선도할 발판이 될 것으로 기대된다.

군산대학교는 화학과 이경구 교수팀이 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단과의 공동연구를 통해 리튬금속 이차전지의 수명 및 출력 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 기술 개발에 성공했다고 18일 밝혔다.

리튬금속전지는 리튬이온전지의 작은 저장용량과 짧은 수명 등 한계를 극복한 대안으로 주목받아 왔지만, 충·방전이 반복되면 '수지상결정(dendrite)'이 생겨 역시 수명이 단축되고 화재·폭발에 취약하다는 약점을 지녔다.

리튬금속에 보호막을 도입하고 이때 고농도 전해질을 사용하면 수지상결정 문제를 해결할 수 있지만, 고농도 전해질은 출력성능을 떨어뜨리는 단점이 있다. 즉 이는 리튬금속 이차전지를 활용한 전기차에 적용하기엔 적합하지 않은 방법이었다.

연구진은 리튬금속전지의 수지상결정 형성 억제 방법으로 두 개의 전해질 염(LiPO2F2·LiTFSI)을 활용한 리튬금속 보호막 제작기술을 적용했다. 이를 통해 이온전도도(단위면적당 전하운반량)를 전기차 이차전지용으로 적합한 5mS/cm 이상으로 늘렸다. 기존 고농도 전해질 사용에 따른 출력 성능 한계 문제에 돌파구를 만든 것이다.

앞서 노트북과 휴대전화에 널리 활용되는 기존 리튬이온전지는 저장용량과 수명 한계로 전기차 이차전지로 쓰기에 한계가 있었다. 리튬이온전지의 흑연보다 저장용량이 10배 이상 큰 리튬금속을 사용하는 리튬금속전지가 개발돼 전기차용 이차전지 대안으로 주목받아 왔다.

연구진은 두 종류의 전해질 염을 포함하는 전해질 안에 이온 간 선택적 상호작용이 존재한다는 점도 밝혀냈다. 고농도 전해질 안에 10% 이상의 자유 리튬이온이 존재하며 이것이 높은 이온전도도의 원인이라고 설명했다. 이 원리는 향후 리튬금속전지의 고성능화를 위한 전해질 설계에 기여할 전망이다.

이 연구 결과는 교육부 개인연구사업(지역대학우수과학자)과 과학기술정보통신부 기초연구사업(기초연구실) 지원으로 수행됐다. 에너지 분야 세계적 권위지인 국제 학술지 'Advanced Energy Materials'의 8일자 표지 논문으로 선정, 게재됐다.
 

[사진=군산대학교 제공]