-미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 주리(Ju Li) 교수팀과 공동 연구 진행

- 새로운 합금층 개발로 리튬 음극재 적용 전고체 배터리 안정성 극복

-세계적 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 3월 20일자에 게재

경상국립대 나노·신소재공학부 성재경 교수

(진주=경남뉴스투데이) 전기자동차에 사용되는 대용량 이차전지의 안전성 문제가 대두되고 있는 가운데 폭발 위험이 없는 차세대 전고체 전지 신기술에 대한 연구결과가 나와 주목받고 있다. 국내 연구진이 대용량 전극(리튬 음극재)의 안정성 및 수명 특성을 극대화하는 기술을 개발했기 때문이다.

연구 결과는 세계적인 학술지인 ≪어드밴스드 머티리얼즈(Advanced materials)≫(Impact Factor: 32.09)에 3월 20일자(현지시각)로 공개됐다(논문명: Ultra-Thin Lithium Silicide Interlayer for Solid-State Lithium-Metal Batteries).

리튬* 음극재는 기존 흑연 음극재 대비 10배 이상 큰 용량으로 전기차 주행거리를 대폭 늘릴 수 있어 차세대 배터리의 음극 소재로 주목받고 있다. 그러나 리튬 음극재는 충전 과정에서 수지상 형태의 성장으로 전해액과 반응하지 않거나 분리막을 파괴하여 전고체 배터리는 물론 리튬 이온 배터리의 수명 특성이 급격히 저하되기 때문에 상용화에 여전히 큰 어려움으로 남아 있다.

경상국립대학교(GNU·총장 권순기) 공과대학 나노·신소재공학부 성재경 교수 연구팀은 미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 주리(Ju Li) 교수팀과 공동 연구를 진행하여, 전고체 배터리 수명을 저해하는 리튬 음극재의 불균일 성장과 부반응성을 효과적으로 억제하여 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 합성기술을 개발했다.

이 기술은 나노 실리콘과 카본 나노 튜브(1나노미터는 10억분의 1미터)를 복합화하여 만든 얇은 막(규화리튬 합금층)으로 리튬 음극재에 덮어 보호막으로 사용하였다(사진 2). 이 구조를 통해 충·방전 시 발생하는 고질적인 리튬 음극재의 불안정성을 최소화하고 높은 용량 및 우수한 수명 특성을 갖는 고안전성 전고체 전지를 구현한 혁신 기술로 주목받고 있다.

리튬 음극재의 안정성을 높이기 위해 기존 연구에서 금, 은과 같은 귀금속 물질을 리튬 친화성 물질**로 사용하거나 고분자 등의 보호막을 사용하여 수지상 형태의 성장을 억제하고 균일한 리튬 금속을 형성하는 보고가 있었으나 배터리 가격이 높아지며 두꺼운 보호층의 사용으로 인해 배터리의 에너지 밀도가 낮아 상용화 적용에 제약이 있었다.

성재경 교수 연구팀은 실리콘 나노 입자를 사용하여 리튬과 (전기)화학적 합금화를 진행하였고 두께가 3마이크로미터(1마이크로미터는 100만분의 1미터)로 매우 얇으며 100나노미터 이하의 기공을 갖는 규화리튬 합금층을 개발하였다(사진 2).

리튬 이온 배터리에서 실리콘 음극재가 가진 고질적인 문제인 부피팽창 현상을 역이용하여 합금층 내부의 기공***크기를 조절함과 동시에 값싼 실리콘을 사용하여 리튬 친화성 물질을 구현하였다는 점에서 “혁신적 기술”이라고 평가받고 있다. 내부의 기공은 충전 시 리튬 금속을 보다 안정적으로 형성시켜 전고체 배터리의 (초기)효율 특성을 크게 향상시켰다.

또한, 3마이크로미터의 매우 얇은 보호막으로도 전고체의 높은 수명 안전성을 구현하였는데 이는 탄소 나노 튜브를 합금층에 첨가함으로써 ‘콘크리트 건축물에 포함된 철근이 구조물을 더욱더 단단하게 한 것과 같은 효과’를 발현함으로써 가능했다.

규화리튬 합금층의 합성 및 충·방전 거동에 대한 모식도 및 실제 이미지<사진제공=경상국립대>

이러한 우수한 특성을 갖는 신 합금 소재로 전고체 배터리의 안정성은 물론 저가격 및 고에너지밀도화가 가능하여 기존 대비 향상된 주행거리를 갖고 안전한 전기자동차(EVs) 구현뿐만 아니라 고용량 에너지 저장 시스템(ESS)에도 적용 가능할 것으로 전망된다.

성재경 교수는 “실리콘의 합금화 거동과 특성에 대한 심도 있는 고찰로 리튬 음극재 적용 전고체 배터리의 고질적인 문제들을 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 기술을 개발할 수 있었다.”라며 “본 기술은 가격이 저렴한 실리콘을 이용했다는 점에서 고용량 리튬 음극재를 사용하는 차세대 전고체 배터리의 생산 비용 절감 효과도 있을 것이다.”라고 말했다.

* 리튬 소재: 상용화 배터리에 가장 많이 사용되고 있는 흑연 음극재보다 이론 용량이 10배 이상인 소재이며, 리튬 이온 배터리의 리튬 이온을 리튬 금속 형태로 저장하여 배터리 용량을 높일 수 있다.

** 리튬 친화 물질: 리튬 이온이 리튬 금속으로 환원되는 과정에서 핵 형성 저항을 최소화하여 균일한 형태로 리튬 금속을 형성 및 유도하는 물질을 정의함.

*** 기공: 물질의 표면에 노출되거나 내부에 존재하는 미세한 구멍을 부르는 명칭.

김대영 기자  webmaster@knnewstoday.co.kr

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