포스텍 등 국내연구팀, 배터리 기술 핵심 '리튬' 성능을 더 잘 활용하는 기술 개발

3차원 구조체를 적용한 리튬 금속 음극 배터리, 충·방전 반복해도 높은 안정성 유지

리튬 이온 이동 돕는 3차원 고분자 구조체 개발에 성공한 공동 연구팀(왼쪽부터 포스텍 박수진 교수, 한동엽 통합과정, 한국에너지기술연구원 송규진 박사)

포스텍(포항공대)화학과 박수진 교수·화학과 통합과정 한동엽 씨는 한국에너지기술연구원 송규진 박사, 포스코홀딩스 미래기술연구원 연구팀과 공동연구를 통해 무게가 가벼우면서 리튬 이온의 이동을 돕는 3차원 고분자 구조체를 개발하는데 성공했다.

연구성과는 국제 학술지인 '어드밴스드 사이언스' 온라인 판에 최근 게재됐다.

현재 전기차나 스마트폰 등 전자 기기에서 사용되는 배터리 기술은 우리 산업에서 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 특히 배터리 기술의 핵심 광물 가운데 하나인 리튬은 금속 음극의 무게당 에너지 용량이 현재 상용화된 흑연 음극에 비해 10배 이상 높다.

이 같은 리튬 금속 음극은 더 많은 에너지를 더 작은 공간에 저장할 수 있을뿐 아니라 흑연이나 실리콘과 다르게 전극 자체로서 전기화학 반응에도 직접 참여할 수 있다.

하지만 배터리를 충·방전하는 과정에서 리튬 이온이 균일하지 않게 분포되는 경우 일명 '죽은 리튬'으로 불리는 영역이 생기는데, 이는 배터리의 용량과 성능을 떨어뜨리는 요인이 된다.

또 리튬이 한 방향으로 분포하면 반대편의 양극에 닿아 내부 단락이 발생하기도 한다.

이에 3차원 구조체를 통해 리튬 이동을 최적화하는 연구가 많이 진행되고 있지만 대부분 무거운 금속기반의 구조체여서 배터리의 무게당 에너지 밀도 측면에서 크게 손해를 보고 있어 실효성이 크지 않다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 무게가 가벼우면서도 리튬 이온과 친화성이 높은 고분자인 폴리비닐 알코올 등을 사용해 '하이브리드 다공성 구조체'를 개발했다.

이 구조체는 배터리 음극에 흔히 사용되는 구리 집전체에 비해 무게가 5배 이상 가벼운데다 리튬 이온과 친화성도 높아 3차원 다공성 구조체의 공간 사이로 리튬이 균일하게 전착하는데 도움을 준다.

실험 결과, 3차원 구조체를 적용한 리튬 금속 음극 배터리는 200주기 이상 충·방전을 반복한 후에도 높은 안정성 및 에너지 밀도를 보였다.

무엇보다 실제 산업현장에서 사용하고 있는 파우치 셀 수준에서 실험을 진행해 기술상용화 가능성을 한층 높였다는 게 연구팀의 설명이다.

박수진 포스텍 교수는 "리튬 금속 배터리의 에너지 밀도를 극대화할 새로운 가능성을 열었다"며 "해당 구조체가 미래 배터리 기술을 발전시키는 하나의 마중물이 될 것"이라고 했다.