팽창·폭발 없는 리튬금속 전지 만들었다

생기원, 무음극 리튬금속 전지 개발
3차원 다공성 집전체가 음극 역할
단락 차단해 고장·폭발 위험 방지

이차전지. 게티이미지 제공

[파이낸셜뉴스] 한국생산기술연구원 친환경열표면처리연구부문 오세권 박사팀과 숙명여대 화공생명공학부 류원희 교수팀이 집전체가 음극을 대신해 가볍고 안전한 무음극 리튬금속 전지를 개발했다. 이 전지는 전해도금 기술을 이용해 집전체를 3차원 다공성 구조로 만들어 단락을 차단해 고장이나 폭발을 방지한다. 또한 여러번 사용하면서 부피가 팽창하는 것을 최대한 막아낼 수 있다.

17일 생산기술연구원에 따르면, 리튬을 음극재로 사용하는 리튬금속 이차전지는 상용 리튬이온전지 대비 높은 부피당 에너지밀도(1000Wh/L)를 갖고 있어 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 하지만, 충방전이 거듭될수록 음극에 금속이온이 달라붙어 나뭇가지 모양으로 생겨나는 덴드라이트가 문제다. 이 덴드라이트가 전지의 단락을 일으켜 고장이나 폭발의 원인이 되고 전지 효율과 수명을 떨어뜨린다.

연구진은 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 집전체가 음극을 대신해 음극이 없는 전지 시스템 개발에 집중했다. 무음극 전지 시스템은 음극재를 없애 부피와 무게를 줄임으로써 에너지 밀도를 높이는 새로운 개념으로, 이 시스템에서는 집전체가 기존 전자 이동 통로로서의 기능 뿐만아니라 음극 역할까지 대신하게 된다.

연구진은 3차원의 다공성 구조를 갖는 구리 집전체를 개발하고, 이를 기반으로 무음극 전지 시스템을 만들었다.

오세권 박사팀은 구리 집전체를 전해도금 기술을 활용해 리튬 덴드라이트 성장을 제어하는 데 있어 최적의 구조(기공 12㎛, 두께 17㎛)를 갖는 3차원 다공성 구리 집전체를 설계했다. 이렇게 만든 구리 집전체는 리튬 충·방전때 리튬 이온이 3차원 다공성 구조체 내에서 고립된 형태로 들러붙었다가 떨어져 덴드라이트 성장을 막는다. 이 때문에 양극과 만나지 않아 덴드라이트로 인한 폭발 등 안전성 문제의 근본 원인을 제거할 수 있다.

류원희 교수팀은 3차원 다공성 구리 집전체를 무음극 전지시스템에 적용, 성능평가 및 덴드라이트 제어 매커니즘을 밝혀냈다. 성능 시험 결과, 이 집전체는 전지의 안전성 향상 효과 외에도, 기존 구리 박막 집전체 대비 충·방전 시 부피 팽창률을 약 4분의 1 수준으로 감소시켰다.

또한 리튬 핵생성 과전압도 50%가량 낮췄다.

오세권 박사는 "뿌리기술인 전해도금기술을 활용해 차세대 리튬금속전지의 안전성을 높일 수 있는 무음극 집전체 기술을 개발한 것"이라며 "앞으로도 전해도금기술을 기반으로 한 에너지 전극재료 연구 개발을 지속해 차세대 이차전지 실용화에 기여하겠다"고 말했다.

연구진은 이번에 개발한 무음극 리튬금속전를 화학공학 분야 세계적 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Jorunal)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자