전기硏, 리튬금속전지용 고효율리튬 저장기술 개발

기사내용 요약
차세대전지연구센터 김병곤 박사팀 논문, 국제 학술지에 게재
음극용 리튬 금속 효과적 저장, 안전·성능 우수…대량생산 가능

[창원=뉴시스] 홍정명 기자= 한국전기연구원 차세대전지연구센터 김병곤 선임연구원이 리튬금속전지용 리튬 저장체 개념을 형상화한 구조물을 들고 포즈를 취하고 있다.(사진=한국전기연구원 제공) 2021.09.09. [e-mail]

[창원=뉴시스] 홍정명 기자 = 한국전기연구원(KERI, 원장 명성호)은 차세대전지연구센터 김병곤 선임연구원(박사) 연구팀이 리튬금속전지용 고효율 리튬 저장 기술을 개발했으며, 국제 저명 학술지에 논문이 게재됐다고 9일 밝혔다.

기존의 리튬이온전지는 음극 역할을 하는 흑연에 리튬 이온을 탈·삽입하여 에너지를 내는 구조로, 스마트폰·노트북 등 전자기기 전력원으로 널리 사용되어 왔지만 흑연 자체의 무게와 부피로 인해 높은 저장 에너지 확보에는 한계가 있었다.

이의 대체재로 부상한 것이 '리튬금속전지'로, 리튬 금속 자체를 음극으로 사용하는 전지다.

리튬 금속 음극은 기존 흑연(372mAh/g) 음극과 비교해 이론상 저장용량이 10배 이상(3860mAh/g) 높아 전기차 등 대용량 전지가 필요한 분야에서 큰 관심을 받고 있다.

하지만 리튬 금속 역시 충·방전을 거듭할수록 나뭇가지 모양의 수지상 결정(dendrite)이 형성되어 부피가 커지고, 전지 수명 저하와 화재·폭발 등 위험성으로 이어진다는 치명적인 약점이 있다.

[창원=뉴시스] 한국전기연구원 김병곤 박사 연구팀의 리튬금속전지용 리튬 저장 기술 관련 논문 이미지.(사진=한국전기연구원 제공) 2021.09.09. [e-mail]

KERI 김병곤 박사는 이러한 문제 해결을 위해 리튬 친화성 물질인 '금' 나노입자가 내부에 소량(1%) 포함된 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 '탄소 나노 파이버'를 제작했고, 코어 내부에 리튬을 선택적으로 저장함으로써 리튬 전·탈착(electro-deposition·dissolution) 효율을 향상시키는 방식을 활용했다.

금 나노입자는 리튬 친화성 특성으로 인해 구조체 내부에서 리튬이 전·탈착되도록 도와주고, 구조체 외부에 수지상 결정이 성장하는 것도 억제하는 것으로 확인됐다.

특히 '전계방사법(electrospinning)'이라는 합성법을 통해 대량 생산이 가능하다는 측면에서 실용성이 매우 크다.

이에 KERI는 향후 고용량 배터리가 필요한 전기차나 드론, 전력저장장치(ESS) 등 분야에 적용될 수 있을 것으로 보고 있다.

[창원=뉴시스] 홍정명 기자= 리튬금속전지용 리튬 저장 기술을 개발한 한국전기연구원 연구팀. 왼쪽부터 이상만 박사, 김병곤 박사(선임연구원), 강동우 연구원.(사진=한국전기연구원 제공) 2021.09.09. [e-mail]

이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업(과제책임자 이상민) 및 KERI 기본사업(과제책임자 김병곤)으로 진행됐으며, 연구 성과 논문은 저널인용지표(JCR) 상위 2.8%의 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.

김병곤 박사는 "차세대 이차전지로 손꼽히는 리튬금속전지 상용화의 관건인 '고효율 리튬 저장체'를 대량으로 생산할 수 있는 기법을 개발했다는 측면에서 큰 의미가 있다"면서 "꾸준한 연구를 통해 현재의 개발품보다 더 향상된 성능을 보이는 리튬 저장체를 개발하겠다"고 말했다.

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