포스텍 등 국내연구진, 같은 크기의 배터리로 2배 더 달리는 기술 개발

무음극 리튬금속전지 부피 에너지 밀도, 리튬이온전지의 2배 구현

포스텍 박수진 교수

KAIST 최남순 교수

국내 연구진이 같은 크기의 배터리로 두 배 더 달릴 수 있는 기술을 개발해 산업계의 관심이 쏠리고 있다.

포스텍(포항공대) 화학과 박수진 교수·한동엽 박사, KAIST(한국과학기술원) 생명화학공학과 최남순 교수·김세훈 박사(현 한국전자통신연구원), 경상국립대 재료공학과 이태경 교수·손준수 연구원 공동 연구팀이 최근 '무음극 리튬금속전지'에서 부피 에너지 밀도를 1천270Wh/L(와트시/리터)까지 확대하는데 성공했다.

이는 현재 전기차에 쓰이는 리튬이온전지(약 650Wh/L)의 두 배 수준이다.

이번 연구결과는 국제 재료 과학 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈'에 실렸다.

음극이 없는 '무음극 리튬금속전지'는 충전할 때 양극에 있던 리튬이 이동해 구리판 위에 직접 쌓이는 특성을 가진다. 불필요한 부품을 덜어낸 만큼, 배터리 내부 공간을 에너지 저장에 더 많이 쓸 수 있다는 게 장점이다.

하지만 리튬이 고르게 쌓이지 않으면 덴드라이트(바늘처럼 뾰족한 결정)가 자라 폭발 위험이 있는 데다 충전과 방전을 반복할수록 표면이 갈라지며 수명도 급격히 줄어드는 단점이 있어 쓰임이 한정돼 있다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 '리튬 호스트(RH)'와 '설계형 전해질(DEL)'을 함께 사용하는 방식에 주목했다.

'리튬 호스트'는 고분자 틀 안에 은(Ag) 나노입자를 고르게 배치해 리튬이 정해진 자리에 모이도록 유도한다. 리튬이 질서 있게 자리 잡을 수 있는 '리튬 전용 주차장'을 만든 셈이다.

여기에 보호막 역할을 하는 '설계형 전해질'을 더해 덴드라이트 성장을 막고 리튬 이동 통로를 열어두는 기술을 구현했다.

이 둘이 만나 탄생한 RH-DEL 시스템은 높은 용량과 더불어 전류 밀도 조건에서도 100회 충·방전 시 초기 용량의 81.9%를 유지했다. 에너지 효율도 평균 99.6%로 나타났다.

이러한 안정적인 성능을 장착한 무음극 리튬금속전지는 실험실용 작은 전지가 아니라, 파우치형 전지에서도 검증됐다는 점에서 의미가 크다고 연구팀은 설명했다.

포스텍 박수진 교수는 "음극이 없는 리튬금속전지에서 전성과 수명 문제를 동시에 해결한 의미 있는 성과"라며 "실제 차량에 적용할 경우 무게와 부피를 줄이면서 제조 부담을 낮출 수 있을 것으로 기대된다"고 했다.