[더테크 뉴스] 지스트 신소재공학부 엄광섭 교수팀은 구리 집전체의 전기화학적 전처리를 통해 리튬금속 전지의 용량 유지율과 내구성을 대폭 향상시키는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 

현재 상용화돼 있는 리튬이온 전지의 음극 소재인 흑연의 경우 이론적 한계 용량에 거의 도달한 상태로, 에너지 밀도를 높이려면 용량을 더 높인 음극 소재 개발이 필요하다. 흑연을 리튬금속으로 대체한 리튬금속 전지는 이론적으로 리튬이온 전지보다 10배 높은 용량을 구현할 수 있어, 고에너지 밀도를 구현하기 위한 차세대 이차전지 시스템으로 주목받고 있다. 

연구진은 유기 전해질 내에서 티오요산(Thiourea)의 리튬 질산염(LiNO3) 분해 촉매 효과를 최초로 규명하고, 이를 이용한 간단한 전기화학적 공정을 통해 리튬금속 전지 음극에 사용되는 구리 집전체 표면에 무기물이 풍부한 인공 고체막을 형성했다.

인공 고체막의 강한 물성과 이온 전도성에 의해 전지의 성능과 내구성을 떨어뜨리는 리튬 수지상 결정 성장이 억제되는 효과가 있었으며, 이는 리튬 질산염의 촉매적 분해로 생긴 다량의 무기물 때문임이 확인됐다. 

연구진은 개발한 구리 집전체를 사용한 리튬 금속 음극을 사용한 결과, 기존 구리 집전체 대비 약 2.5배 높은 용량 유지율 및 4배 이상의 수명을 갖는 리튬금속 전지를 제조하는데 성공했다. 기존의 구리 집전체는 약 30회의 충․방전 후 70% 이하로 용량이 줄어들었지만, 새로 개발한 구리 집전체를 사용한 음극은 120회 이상의 충․방전 후에도 70% 이상의 용량을 유지하는 등 안정적인 성능을 보였다. 

특히 연구팀은 전기화학 처리가 전압 주사와 같은 간단한 전기적 신호 적용만으로 이뤄지기 때문에 전극 제조공정을 단순화할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

그간 리튬금속 전지는 충·방전 중 리튬의 수지상 결정 성장이 일어나면서 분리막을 뚫고 전지의 단락을 일으키고, 지속적인 전해질 분해 및 리튬 금속 손실이 일어나 충‧방전 효율이 빠르게 감소하는 등 안전성과 내구성 문제로 상용화에 어려움이 있었다. 

엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 소량의 전해질 첨가제와 간단한 전기화학 표면처리로 리튬금속전지 음극용 집전체로 사용할 수 있는 충분한 안정성을 확보했다는 데에 큰 의의가 있다”면서 “향후 고에너지 리튬금속전지를 장착한 전기자동차의 상용화에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료 공학 분야 국제 저명 학술지 ‘스몰’에 온라인 게재됐다.