전극 두꺼워도 안정성 유지…상식 깨는 리튬금속 배터리 기술 선봬

포스텍·서울대 공동연구팀, CNT 활용해 기술 구현

포스텍 박수진 교수

포스텍 박사과정 정재호 씨

포스텍 김성호 박사

전극이 두꺼워질수록 배터리는 불안정하고 수명이 짧아진다는 상식을 뒤엎는 리튬금속 배터리 기술이 개발돼 화제다.

포스텍(포항공대) 박수진 교수, 박사과정 정재호 씨, 김성호 박사 연구팀은 서울대 연구팀과 함께 기능성 '탄소나노튜브(이하 CNT)'를 활용해 두꺼운 전극에서도 안정적인 리튬금속 배터리 성능을 구현해냈다. 탄소나노튜브는 머리카락 굵기 수만 분의 1에 불과한 원통형 탄소 소재로, 전기 전도성이 뛰어나 배터리 전극에서 전자의 이동 통로로 주로 활용된다.

이번 연구는 세계 재료과학 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 게재됐다.

일반적으로 전극을 두껍게 만들면 저장할 수 있는 에너지는 늘어나지만 이온 이동 거리가 길어지면서 성능 저하가 빨라진다. 또 전극과 전해질이 만나는 경계면 역시 불안정해진다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 전기가 잘 통하는 CNT에 주목했다. 이 소재는 배터리 전극에서 전자의 이동 통로 역할을 하지만 서로 뭉치려는 성질 때문에 전극이 두꺼워질수록 균일하게 퍼지기 어렵다.

연구팀은 CNT 표면에 이온과 친한 고분자 기능기를 붙여 전극 내부에 고르게 퍼지도록 설계했다. 이 기능성 CNT는 전극 안에 전자 통로를 촘촘하게 형성해 전극이 두꺼워져도 충전과 방전 속도가 느려지지 않았고, 성능 저하도 거의 없었다.

이 기술은 전극 내부뿐 아니라 양극과 음극 경계면도 동시에 안정화했다. 배터리 수명을 저해하는 충·방전 중 화학 반응을 조절해 양극에서는 구조 붕괴를 막고 음극에서는 균일한 보호막이 형성되도록 유도했다.

실험 결과 이 기술을 적용한 배터리 전극은 기존 98마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 두께 CNT 전극보다 약 2배 두꺼운 190㎛ 두께 전극에서도 높은 안정성을 유지했다.

박수진 교수는 "이번 연구는 그동안 문제로 여겨졌던 반응을 오히려 배터리를 보호하는 장치로 전환한 것으로, 앞으로 전기차와 에너지저장장치(ESS) 등 차세대 대형 배터리의 설계 방향을 바꾸는데 다양하게 활용될 것으로 기대된다"고 했다.