[인더스트리뉴스 조창현 기자] 전 세계 자동차 시장에서 전기차 판매가 꾸준히 이어지고 있는 가운데, 현재 제공되고 있는 리튬이온전지보다 용량이 크고 충·방전은 빠른 차세대 이차전지와 관련된 관심이 증가하고 있다.
광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 신소재공학부 엄광섭 교수팀이 현대자동차 배터리연구팀과 함께 고분자가 코팅된 삼차원 절연 구조체를 음극에 도입해 고에너지 리튬금속전지과 관련된 고질적인 부피팽창 문제를 해결하고, 충·방전 내구성을 향상하는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
GIST 엄광섭 교수는 “새롭게 진행한 연구를 통해 기존 리튬금속전지가 가진 고질적 문제인 충·방전 동안 일어나는 불균형한 돌기 형성, 관련된 부피팽창 문제를 해결할 수 있는 대안을 제시했다”며, “향후 안정성이 보장된 고에너지 리튬금속전지를 차세대 전기차에 이용할 수 있게 된다면 1회 충전당 주행거리를 크게 향상할 수 있을 것”이라고 말했다.
극성 작용기 풍부한 구조체 개발
GIST에 따르면 음극 소재를 흑연에서 리튬금속으로 대체한 리튬금속전지는 이론적으로 리튬이온전지 대비 최대 10배 높은 음극 용량을 구현할 수 있다. 다만 리튬금속전지 충·방전 중 리튬 내 수지상 결정 성장이 일어나면서 분리막을 뚫고 전지에 대한 단락(short circuit)을 일으키는 현상을 비롯해 리튬이 도금되면서 부피팽창이 일어나 배터리가 부풀고 내부 압력이 증가하는 등 안전성 및 내구성 문제가 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 리튬 수지상 결정은 리튬금속전지를 충전하는 과정에서 전극에 리튬이 전극에 불균일하게 전착되며 수지상으로 성장하는 현상을 의미한다.
이에 연구팀은 리튬금속 배터리에서 폴리테트라플루오로 에틸렌(Polytetrafluoro ethylene)을 이용해 합리적인 다공성 구조를 설계했다. GIST는 연구팀이 간단한 자가-고분자화 반응을 통해 삼차원 구조체 표면에 폴리도파민(Polydopamine)을 코팅, 극성 작용기(Polar functional group)가 풍부한 삼차원 구조체를 만들었다고 설명했다. 극성 작용기는 전기 음성도가 높은 N이나 O, F 같은 원소가 전기 음성도가 낮은 물질과 공유결합을 하고 있어 전자가 상대적으로 한쪽으로 쏠려 극성을 갖는 작용기를 뜻한다.
기존 전지 대비 에너지 밀도 2배 이상
연구팀은 리튬금속 음극으로 새롭게 개발한 삼차원 고분자 구조체를 활용했다. 연구 결과 기존 구리 집전체 기반 리튬금속 음극보다 2배 이상에 달하는 에너지 밀도와 더불어 수명까지 약 2배인 리튬금속전지를 만들어 냈다.
GIST는 기존 구리 집전체가 충·방전 사이클을 약 35회 거친 이후에 용량이 급격하게 줄어들어 60회째부터는 발현 용량이 거의 ‘0’에 가깝게 되지만, 삼차원 고분자 구조체를 도입해 연구팀이 새롭게 개발한 리튬금속 음극은 충·방전 사이클을 75회 이상 거친 이후에도 초기 용량 대비 90% 이상에 달하는 안정적인 성능을 보였다고 강조했다. 관련 기술이 상용화된다면 간단한 자가-고분자화 과정을 통해 고분자 코팅을 할 수 있어 모든 종류에 해당하는 다공성 구조체에 적용할 수 있을 것으로 분석된다.
특히 고분자 구조체를 활용해 연구팀이 개발한 NCM(니켈·코발트·망간) 양극 기반 리튬금속전지는 최대 801Wh/L급 방전 기준 에너지 밀도를 보였다. 기존 리튬이온전지보다 2배 이상 크다. GIST는 동일한 전기차에 같은 크기를 가진 전지를 장착했을 때 새로운 연구에서 개발된 리튬금속전지는 에너지를 2배 이상 저장함으로써 전기차 주행거리를 크게 향상할 수 있다고 부연했다.
한편 엄광섭 교수가 지도하고 조진현 박사과정생이 주도적으로 수행한 새로운 연구는 현대자동차 배터리연구팀과 공동으로 진행했으며, 현대엔지비(NGV)와 더불어 한국연구재단 및 GIST 중앙기기연구센터(GAIA)로부터 지원을 받아 수행됐다. GIST는 관련 연구 성과는 세계적인 화학공학 분야 권위 학술지에 실렸다고 전했다.
