국내 연구팀이 차세대 리튬금속전지의 상용화를 앞당기는 기술을 개발했다.

한국화학연구원 김동균 박사 연구팀과 서울대 화학생물공학부 이종찬 교수 연구팀은 차세대 리튬금속전지의 성능과 안전성을 모두 확보할 수 있는 겔고분자전해질 첨가제 원천기술을 개발하는 데 성공했다.

이번 연구 성과는 에너지·환경 분야 최고 권위지인 에너지 환경과학 9월 호에 게재됐다.

리튬이온전지는 노트북·휴대전화 등의 전자 제품에 널리 쓰이고 있지만 용량과 수명 문제로 전기자동차·에너지저장시스템(ESS) 등의 적용에 한계가 있다.

이에 따라 음극재에 흑연 대신 리튬 금속을 사용하는 리튬금속전지가 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 이차전지 중 하나로 주목받고 있다.

그러나 리튬금속전지는 충·방전 과정에서 리튬금속 표면에 나뭇가지 형태의 결정이 형성되는데 이는 리튬금속전지의 수명을 단축시키고 내부단락을 일으켜 화재나 폭발 등 안전 문제를 일으킬 수 있어 상용화에 걸림돌로 작용해왔다.

연구팀은 나뭇가지 형태의 결정이 성장하는 것을 억제하기 위해 전지의 전해질과 관련된 새로운 기술을 개발했다.

기존 액체 전해질 대신 불소계 겔고분자전해질에 보론나이트라이드를 소량(0.5%) 첨가해 리튬금속전지의 수명과 안전성을 크게 향상시켰다.

이어 보론나이트라이드를 2차원의 나노플레이크로 만들어 겔고분자전해질 내에 고르게 분산해 첨가했으며 두 물질이 잘 섞일 수 있도록 보론나이트라이드 표면에 겔고분자전해질과 유사한 불소계 고분자 사슬을 도입했다.

리튬 결정 성장을 막기 위해 기존에 쓰이던 기술은 고체 전해질을 써서 리튬 결정이 뻗어나오는 것을 물리적으로 막고 리튬 양이온이 이동하는 비율을 상대적으로 높이는 기술인 거다.

그러나 이 기술은 제조공정이 복잡하고 이온전도도가 낮아 성능이 저하된다는 단점이 있다. 연구팀은 불소계 겔고분자 전해질에 보론나이트라이드를 0.5% 첨가하면 고체와 액체의 중간 정도의 물성을 가지면서도 전해질의 특성을 단단하게 만들 수 있다고 설명했다.

따라서 이온 전도도는 높지만 결정의 성장을 막지 못하는 액체 전해질의 단점을 보완할 수 있고 단단하긴 하지만 이온 전도도가 낮아 성능이 저하되는 고체 전해질의 단점도 보완할 수 있다는 얘기다.

김 박사는 “이번 연구를 기반으로 차세대 리튬금속전지뿐만 아니라 리튬황전지, 리튬공기전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것이다”라고 말했다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com