[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 한번 충전에 더 많은 전기를 저장하고 오래 사용할 수 있는 리튬 금속전지에 들어갈 세계 최고 수준의 전해액 조성 기술을 개발했다. 이 전해액으로 만든 리튬 금속전지는 200회 이상 충방전을 거듭해도 저장용량이 거의 줄지 않았다. 또한 리튬 대비 4.4V 높은 충전 전압 조건에서 다른 전해액보다 약 5% 정도 높은 75.0%의 높은 전기용량 유지율을 보였다. 19일 한국과학기술원(KAIST)에 따르면 이번 기술개발은 KAIST 생명화학공학과 최남순 교수, UNIST 화학과 홍성유 교수, 서울대 화학생물공학부 이규태 교수, 고려대 화공생명공학과 곽상규 교수, 경상국립대 나노·신소재공학부 고분자공학전공 이태경 교수의 공동연구를 통한 결실이다. 리튬 이온전지는 음극에 흑연을 주로 사용한다면 리튬 금속전지는 리튬으로 만들어 용량을 10배 늘릴 수 있는 것으로 알려져 있다. 리튬 금속전지를 오랜시간 사용하기 위해선 전해액의 이온 전달 성능뿐만 아니라 전극 표면을 보호하는 것이 필수적이다. 전자를 주는 성질이 강한 리튬금속 음극과 전자를 빼앗으려는 고전압 양극에 접촉하고 있는 전해액이 분해되지 않도록 전극과 전해액 사이에 보호층을 형성시켜야 한다. 연구진은 전극·전해액 계면을 안정화하는 첨가제 기술과의 조합을 통해 리튬 금속전지의 고전압 수명 성능 및 고속 충전 특성을 획기적으로 높이는 데 성공했다. 전해액의 주 용매는 기존에 보고되지 않은 용매를 새롭게 디자인하고 합성해 불이 붙을 가능성이 낮은 환형 설폰아마이드 계열 용매 'TFSPP'를 사용했다. 이 용매는 기존에 사용되는 용매보다 우수한 고전압 안정성을 가져 전지 내부 가스 발생을 억제할 수 있었다. 또한 두 가지 이온성 첨가제를 사용해 리튬 금속 음극에 형성된 보호층이 부피 변화를 견디도록 설계했다. 아울러 전자 방출 경향성이 높은 첨가제를 적용해 양극 표면에 보호층을 형성해 양극의 구조 안정성을 향상시켰다. 연구진은 이 고전압 용매가 전극을 보호하는 첨가제와 함께 시너지 효과를 이끌어 고전압 리튬 금속전지 성능을 끌어올렸다고 설명했다. KAIST 생명화학공학과 김세훈 박사과정생은 "용매와 첨가제의 조합 기술을 통해 실용화가 가능한 리튬 금속전지용 용매 조성 프레임을 개발했다"며 "전지의 사용기간을 연장하는, 보다 안정적인 전극-전해액 계면층을 형성하는 새로운 전해액 조성 기술"이라고 말했다. 한편, 연구진은 이번에 개발한 기술을 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 발표했다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 김희탁 교수팀과 LG에너지솔루션 연구팀이 손잡고 1번 충전으로 900㎞를 달릴 수 있는 리튬금속전지를 개발했다. 이는 기존 리튬이온전지를 사용한 전기차가 약 600㎞ 정도 주행할 수 있는 것과 비교해 50% 성능이 개선된 것이다. 또한 리튬금속전지의 단점이었던 내구성까지 향상시켜 400회 이상 재충전이 가능하게 만들었다. 7일 KAIST에 따르면 이번에 공개한 리튬금속전지는 기존에 보고되지 않은 '붕산염-피란 기반 액체 전해액'을 세계 최초로 적용, 리튬금속 음극의 기술적 난제를 해결했다. 붕산염-피란 전해액은 전해액과 리튬간 부식 반응을 차단한다. 이를 위해 리튬금속 음극 표면에 형성된 수 나노미터 두께의 고체 전해질 층(SEI)을 치밀한 구조로 재구성했다. 고체 전해질 층 재구성 기술은 덴드라이트와 부식 문제를 동시에 해결했다. 즉, 리튬금속 음극의 충전-방전 효율을 향상하는 것은 물론, 기존보다 배터리 음극재와 전해액의 무게를 크게 줄일 수 있어 에너지 밀도를 높였다. 특히 이 기술로 만든 리튬금속전지는 구동 시 높은 온도와 압력이 요구되지 않고, 전기차의 주행거리를 높이기 위한 간소화된 전지 시스템으로 설계됐다. 김희탁 교수는 "이번에 만든 리튬금속전지는 지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액을 기반으로 하는 리튬금속전지의 구현 가능성을 가시화한 것"이라고 말했다. 함께 참여한 권혁진 박사과정생은 "리튬금속음극 계면의 나노스케일 제어를 통해 리튬금속전지의 한계를 극복할 수 있었다"고 말했다. 연구진은 새로 개발한 리튬금속전지를 세계적인 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 발표했다. 이번 개발 성과는 KAIST와 LG에너지솔루션이 차세대 리튬금속전지 기술 개발을 위해 2021년 설립한 프론티어 연구소(FRL)를 통해 이뤄졌다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 김희탁 교수팀과 LG에너지솔루션 연구팀이 손잡고 1번 충전으로 900㎞를 달릴 수 있는 리튬금속전지를 개발했다. 이는 기존 리튬이온전지를 사용한 전기차가 약 600㎞ 정도 주행할 수 있는 것과 비교해 50% 성능이 개선된 것이다. 또한 리튬금속전지의 단점이었던 내구성까지 향상시켜 400회 이상 재충전이 가능하게 만들었다.  7일 KAIST에 따르면 이번에 공개한 리튬금속전지는 기존에 보고되지 않은 '붕산염-피란 기반 액체 전해액'을 세계 최초로 적용, 리튬금속 음극의 기술적 난제를 해결했다. 붕산염-피란 전해액은 전해액과 리튬간 부식 반응을 차단한다. 이를 위해 리튬금속 음극 표면에 형성된 수 나노미터 두께의 고체 전해질 층(SEI)을 치밀한 구조로 재구성했다. 고체 전해질 층 재구성 기술은 덴드라이트와 부식 문제를 동시에 해결했다. 즉, 리튬금속 음극의 충전-방전 효율을 향상하는 것은 물론, 기존보다 배터리 음극재와 전해액의 무게를 크게 줄일 수 있어 에너지 밀도를 높였다. 특히 이 기술로 만든 리튬금속전지는 구동 시 높은 온도와 압력이 요구되지 않고, 전기차의 주행거리를 높이기 위한 간소화된 전지 시스템으로 설계됐다. 김희탁 교수는 "이번에 만든 리튬금속전지는 지금까지 실현 불가능하다고 여겨진 액체 전해액을 기반으로 하는 리튬금속전지의 구현 가능성을 가시화한 것"이라고 말했다. 함께 참여한 권혁진 박사과정생은 "리튬금속음극 계면의 나노스케일 제어를 통해 리튬금속전지의 한계를 극복할 수 있었다"고 말했다. 한편, 연구진은 새로 개발한 리튬금속전지를 세계적인 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 발표했다. 이번 개발 성과는 KAIST와 LG에너지솔루션이 차세대 리튬금속전지 기술 개발을 위해 2021년 설립한 프론티어 연구소(FRL)를 통해 이뤄졌다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지융합연구부 김재현 박사팀이 경북대 전상은 교수팀과 함께 고체 전해질을 사용한 세계 최고 수준의 전고체 리튬금속전지를 개발했다. 이 이차전지는 전체적인 전지 부피를 줄이고 분리막을 필요로 하지 않으며, 구부러질 수 있기 때문에 향후 폭발이나 화재의 염려가 없는 웨어러블 디바이스 전원용 전지로 사용될 것으로 기대된다. 22일 DGIST에 따르면, 이 리튬금속전지는 안정적인 고체 전해질 분리막이 형성돼 300㎂/㎠의 높은 전류 밀도에서 충방전을 500번 이상 반복해도 안정적으로 작동했으며, 풀셀에서 300번 충방전 후에도 99.7%의 높은 용량을 유지했다. 현재 널리 쓰이는 이차전지에 들어간 액체 전해질은 외부 충격이나 변형으로 분리막이 손상되면 화재나 폭발의 위험이 있다. 특히, 충·방전을 계속 하면서 리튬이 나뭇가지 모양으로 성장하는 '덴드라이트' 현상이 발생해 폭발이나 화재를 일으키기도 한다. 이 액체 전해질을 고체 전해질로 대체하게 되면 화재 및 폭발의 위험성을 방지할 수 있게 된다. 또한 분리막도 필요 없어 전체적인 전지의 부피도 줄일 수 있는 장점이 있다. 연구진은 고체 고분자 전해질에 탄성이나 강도를 조절하는데 쓰이는 고체 가소제를 첨가했다. 이를통해 리튬금속전지는 음극이 전해질에 접촉하는 부분에서 리튬 덴드라이트의 형성을 억제해 안정성이 향상됐다. 김재현 박사는 "안정성을 높이고 용량 유지율을 향상시킨 고체 전해질을 개발함으로써 리튬금속전지의 성능을 크게 향상시켰다"며 "향후에도 안정적이고 효율적인 이차전지 개발을 위해 노력하겠다"라고 말했다. 한편, 연구진은 이번에 개발한 고체전해질을 에너지 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)'에 발표했다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[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.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

리튬을 음극재로 사용하는 리튬 금속 전지의 전극 표면 품질을 높이는 기술이 개발됐다는 소식에 KBG(318000)의 주가가 오름세다. UNIST(총장 이용훈)는 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 금속 표면은 내화학성이 좋은 리튬 플루오라이드 보호층으로, 내부는 리튬 원자의 이동성이 향상된 리튬 합금으로 이루어진 전극 공정 기술을 개발했다고 최근 밝혔다. 리튬 금속 전지는 기존 흑연 음극재보다 용량을 크게 높일 수 있만 충방전 과정에서 생기는 뾰족한 나뭇가지 모양의 리튬 침전물이 전지 분리막을 손상시켜 성능이 떨어지고 폭발 위험이 커지는 문제가 있다. 전해질이 갈라져 나와 전극 표면에 들러붙을 때 생기는 새로운 리튬 표면은 지속적으로 유기 전해질과 반응하며 리튬 전해질에 손실을 입힌다. 이로 인해 생기는 두꺼운 피막층도 배터리 성능을 떨어뜨린다. 연구팀은 낮은 열처리 조건에서도 리튬과 활발히 반응하는 금속 플루오라이드의 성질을 활용했다. 이 과정에서 리튬 플루오라이드는 표면 보호층을 형성하면서 내부의 리튬 합금을 전해질로부터 보호할 수 있게 된다. 이 리튬 합금 전극은 전해질 첨가제가 포함된 전해질 시스템에서 구동할 때 기존 리튬 전극보다 약 2천 시간 이상 수명이 늘었다. 전해질 첨가제가 포함되지 않은 전해질 시스템에서도 700시간 이상 안정적으로 구동했다. 제1저자인 김민호 UNIST 에너지공학과 박사후연구원은 "기존에 많이 고려되지 않았던 전해질 첨가제에 의한 리튬 표면 보호층의 불완전 형성을 완벽하게 보완하는 표면 개질 기술을 통해 리튬 금속 전지의 상용화를 위한 하나의 지표가 될 것"이라고 밝혔다. 한편 KBG는 100% 수입에 의존하던 기능성 실리콘 소재 등을 자체기술로 생산해 수입 대체 및 수출을 하고 있다. 기능성 실리콘 소재를 자체 합성하는 회사는 국내에서 KBG가 유일하다. KBG는 앞으로도 공급하는 소재가 관련 산업에 지대한 기여를 할 것으로 예상했다. 미국 다우를 비롯해 독일 바커, KCC, 엘켐, LG화학 등 세계적인 실리콘 업체와 거래 및 공동개발 활동을 통해 신규 응용제품을 지속적으로 확대해 나가고 있다. KBG는 고방열 소재와 2차전지 배터리 전해질 소재도 개발하고 있다. 사람 피부보호 소재, 로봇산업 표면코팅 소재, 2차전지에 응용할 수 있는 고분자전해질 소재, 전기차용 방열 소재, 바이오센서 및 약물전달시스템 응용 소재 등으로 영역을 확대하고 있어 투자자들의 관심이 몰린 것으로 풀이된다.

[파이낸셜뉴스] 한양대 화학공학과 염봉준 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 손정곤 박사팀이 리튬금속전지가 부풀어 올라 수명이 짧아지는 것을 막는 분리막을 개발했다. 이 분리막은 리튬금속전지를 1000번 이상 최대 1500번까지 충방전을 반복해도 안정적으로 작동하게 했다. 염봉준 교수는 "이 분리막을 대면적으로 만들 수 있는 기술만 확보된다면 차세대 분리막으로 즉각 활용될 수 있다"고 말했다. 리튬금속전지는 현재 쓰이고 있는 리튬이온전지보다 용량이 10배가 넘는다. 하지만 충방전 과정에서 리튬 표면에 돌기가 형성되는 덴드라이트 현상이 일어난다. 이 때문에 전지 성능을 떨어뜨려 수명을 단축시킨다. 또한 양극과 음극이 직접 접촉하는 단락이 이뤄져 전지가 폭발하는 등의 안전성 문제로 아직까지 상용화가 이뤄지지 못하고 있다. 30일 한양대에 따르면, 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 고강도 섬유인 아라미드를 이용해 다공성 분리막을 만들었다. 이 분리막의 핵심은 97% 이상의 높은 공극률이다. 분리막이 매우 미세한 구멍으로 이뤄져 있어 전체 부피중 빈공간이 97%에 달한다는 의미다. 아라미드 나노섬유로 분리막을 만드는 과정에서 에탄올과 물을 순차적으로 사용해 공극률을 최대화했다. 이 분리막은 음극쪽에 리튬금속 알갱이가 나뭇가지모양처럼 쌓이는 덴드라이트 현상을 막아 양극과 음극이 직접 닿지 못하게 한다. 또한 미세한 구멍으로 리튬이온만 빠르게 통과시킨다. 리튬이온이 분리막을 통과해 양극과 음극간 이동하는 이온전도도가 최대 4.04 mS/㎝를 기록했다. 이 분리막으로 만든 전지는 안정적인 전기화학적 특성, 높은 열적 안정성, 높은 이온 전도도를 가지는 등 전지의 수명과 안전성을 높였다. 특히, 고속으로 충방전을 1000회까지 해도 안정적으로 작동했으며, 이 후에도 초기 용량의 86%를 유지했다. 연구진은 이번에 개발한 분리막을 재료분야 저명 국제학술지 '스몰(Small)'에 발표했으며, 학술지 표지논문으로 선정됐다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 전기차 배터리의 에너지 밀도를 2배 이상 향상시킬 ‘리튬금속전지’ 연구가 본격화되고 있다.UNIST는 부경대학교, 조선대학교가 함께 참여하는 공동연구팀이 8월부터 본격차세대 전기차 배터리 개발을 위한 연구를 시작했다고 19일 밝혔다. 리튬금속전지는 리튬 금속을 음극으로 사용하는 전지로, 현재 상용화된 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 높아 전기차용 차세대 고용량 배터리로 주목받고 있다. 공동연구팀은 양산 가능한 리튬금속전지를 개발, 무게는 가벼우면서도 에너지 용량은 더 큰 차세대 전기차용 배터리 구현을 목표로 하고 있다.이번 연구는 지난 6월 삼성미래기술육성사업 신규과제로 선정됐다. 연구팀은 정경민, 최남순 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수와 오필건 부경대학교 인쇄정보공학과 교수, 손윤국 조선대학교 전기공학과 교수로 구성됐다. 이들은 앞으로 2년간 10억 원을 지원받아 리튬금속전지 시스템을 위한 전극 설계와 소재 기술 개발에 나서게 된다.연구책임자인 정경민 교수는 “현재 국내 배터리 생산기반과 제조기술을 가능한 그대로 이용하면서 고용량 배터리를 양산할 수 있도록 만드는 것이 목표”라며 “배터리 산업이 한 단계 도약하는데 실질적 기여를 할 수 있는 연구를 추진해나갈 계획이다”라고 밝혔다.연구팀은 리튬금속전지 상용화를 위한 새로운 재료 개발에서부터, 촉매물질, 전해액, 전극기술과 전지 시스템까지 배터리 개발 전 과정에 걸친 연구를 수행할 계획이다. 연구팀에는 각 분야를 담당할 전문가들이 참여했다. 오필건 부경대 교수와 손윤국 조선대 교수는 모두 UNIST에서 박사 학위를 취득했다. 이들은 산업체 경험을 거쳐 각 대학 교원으로 임용됐으며, 차세대 배터리 소재 연구를 수행하고 있다. 이번 공동연구팀은 UNIST 소속 교원들과 UNIST 출신 교원들이 한 팀을 이룬 셈이다.정경민 교수는 “이번 공동연구는 이차전지 연구에 최적화된 UNIST의 연구 환경과 인재육성 시스템이 있었기에 시작될 수 있었다”며 “짧은 역사에도 불구하고 실용적 융합연구 전통이 이어지고 있는 만큼, 미래를 바꿀 차세대 전지 연구가 더욱 활발하게 진행될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 한편 UNIST는 최근 산업통상자원부의 ‘산업혁신 인재성장 지원 사업’ 중 하나인 배터리 전문 인력양성사업 수행 대학으로 선정되기도 했다. 이에 따라 UNIST는 향후 5년간 ‘배터리 핵심 소재’ 전문 인력을 양성하게 된다. ulsan@fnnews.com 최수상 기자

[파이낸셜뉴스] 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 연구진은 리튬금속전지(LMB)를 화재나 폭발 위험이 없애고 상용화 하는데 한걸음 더 나갈 수 있도록 도와줄 초음파 방출 장치를 개발했다. 또한 연구진은 리튬금속전지에 초점을 맞췄지만 이와 상관없이 어떤 배터리에도 사용할 수 있다. 연구진의 이번 연구성과는 국제학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈'에 지난 18일(현지시간) 개재됐다. 이 초음파 방출 장치는 배터리의 일체형 부품으로 초음파를 방출해 양극과 음극 사이에 있는 전해액에서 순환 전류를 만들어 내는 방식으로 작동한다. 이를 통해 리튬금속전지의 가장 큰 문제점인 화재나 폭발을 막을 수 있다. 이 초음파 장치는 1억~100억㎐의 매우 높은 주파수에서 음파를 발생시키는 일반 스마트폰 부품으로 만들어졌다. 스마트폰에서는 이러한 장치가 주로 무선 이동통신 신호를 필터링하고 음성 통화와 데이터를 식별하고 필터링하는 데 사용된다. 연구원들은 대신 리튬금속전지의 전해질 내에 흐름을 생성하기 위해 초음파 장치를 사용했다. UC 샌디에이고의 제이콥스 공과대학 기계항공우주공학과 제임스 프렌드 교수는 "스마트폰 기술의 발전은 우리가 리튬금속전지 기술을 향상시키기 위해 초음파를 사용할 수 있도록 해줬다"고 말했다. 현재 리튬금속전지는 수명이 매우 짧기 때문에 전기차에서 전자제품에 이르기까지 모든 것에 적용 가능한 배터리로 여기지 않고 있다. 하지만 이 리튬금속전지는 오늘날의 최고 리튬이온전지의 두배나 되는 용량을 가지고 있다. 예를들어 리튬금속전지로 움직이는 전기차는 똑같은 중량의 리튬이온전지를 사용하는 전기차보다 두배 많이 작동할 수 있다. 연구진은 이 장치를 장착한 리튬금속전지는 250번 충·방전할 수 있고 리튬이온전지는 2000번 이상 충·방전할 수 있다는 것을 보여줬다. 이 배터리는 10분 만에 0~100%씩 충전됐다. 제이콥스 공과대학 나노공학과 핑 류 교수는 "이번 연구를 통해 급속 충전과 고용량 모두 가능하도록 배터리를 만들 수 있게 됐다"고 말했다. 류 교수는 "대부분의 배터리 연구는 더 오래 지속되고 빨리 충전되는 배터리를 개발하기 위한 완벽한 화학물질을 찾는 데 초점을 맞추고 있다"고 말했다. 이와는 대조적으로 프렌드 교수 연구팀은 금속 배터리의 근본적인 문제를 해결하려고 노력했다. 전통적인 금속 배터리의 경우 음극과 양극 사이 전해질 액체가 흐르지 않는다. 그 결과 배터리가 충전되면 전해액속 리튬 이온이 고갈되고 양극에 리튬이 고르지 않게 침전될 가능성이 높아진다. 이는 차례로 양극에서 음극으로 커질 수 있는 덴드라이트라는 바늘 같은 구조를 키워 합선되고 심지어 화재까지 일으킬 수 있다. 덴드라이트는 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정으로 전극 부피팽창과 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다. 샌디에이고 소재과학 박사인 안 황은 "이번 연구에서 가장 어려웠던 부분은 장치를 디자인하는 것"이라고 말했다. 물리적 현상을 이해하고 배터리 내부 장치를 효과적으로 통합할 수 있는 방법을 찾아내 아주 작게 만드는 것이었다 제이콥스 스쿨의 나노공학 박사후 연구원인 하오동 류는 "다음 연구단계는 이 기술을 상업용 리튬이온전지에 적용하는 것"이라고 말했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 리튬이온전지보다 용량이 더 크고 폭발 위험성이 없는 리튬금속전지를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구단 조원일 박사팀이 리튬금속전지 상용화의 최대 걸림돌인 물리화학적 불안정성을 제거할 리튬-알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발했다고 17일 밝혔다. 연구팀은 이와 함께 전해질 시스템을 최적화해 기존에 개발된 리튬이온전지 대비 2배 이상 수명을 끌어올리는 데도 성공했다. KIST 연구진은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄에서 폭발 문제 해결의 실마리를 찾았다. 기존의 순수 리튬금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어하는 한편, 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS) 기반의 초박막 인조보호막을 형성해 전지 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴트라이트의 성장을 억제했다. 초박막 인조보호막은 KIST 조원일 박사가 개발한 나노미터 두께의 얇은 층으로 이뤄진 인공 고체-전해질 계면상으로 이미 지난해 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사하며 성능과 안정성을 입증한 바 있다. 이번 연구에서는 특히, 초박막 인조보호막의 실제 양산성 확보를 위해 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮추고, 복잡한 제조공정을 단순화 및 전지의 안정화에 연구력이 집중됐다. KIST 조원일 박사는 "차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지를 필요로 하는 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템(ESS) 등의 발전에 기여할 수 있게 되기를 기대한다."고 밝혔다. 이 연구는 과학기술정보통신부의 지원 아래 KIST 주요사업과 무인이동체 미래선도 핵심기술개발사업으로 수행됐으며, 연구결과는 '사이언스 어드벤스' 최신호에 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자