연세대 이상영 교수팀, 3차원 격자 구조 리튬금속 음극 개발

[서울=뉴시스]박선민 인턴 기자 = 연세대 화공생명공학과 이상영 교수 연구팀은 3차원 격자 구조를 갖는 리튬금속 음극을 개발했다고 23일 밝혔다. 이는 세계적으로 주목받고 있는 리튬금속전지의 실질적 상용화를 위한 효율적인 접근법을 학문적으로 제시했다는 평가를 받는다.

전기자동차 및 ESS에 사용되는 전지 수요가 증가함에 따라 고에너지 밀도와 장수명 특성을 만족시킬 수 있는 차세대 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상업적으로 가장 널리 사용되고 있는 리튬이온전지는 흑연을 음극 소재로 사용해 리튬을 저장하는 방식이다. 그러나 흑연 음극의 낮은 이론 용량으로 인해 전지의 에너지 밀도를 높이는 데 한계가 있다.

반면 리튬금속전지는 리튬금속을 음극 소재로 사용해 흑연 대비 10배 이상 높은 이론 용량을 가진다. 따라서 리튬금속전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 리틈금속 음극은 충전 시 음극 표면에 수지상 성장이 유도돼 낮은 수명과 낮은 안정성을 갖는다는 단점이 있다.

이를 극복하려면 리튬 수지상 균일한 리튬 전착이 가능해야 한다. 그러나 이 또한 다공체 내부에 균일한 미세가공 구조를 구현하는 것이 쉽지 않다. 또 다공체 골격 자체의 무게·부피로 인해 전지의 실질적인 에너지 용량이 저하되기도 한다.

이러한 기존 연구들의 한계를 극복하기 위해, 연세대 이상영 교수 연구팀은 리튬이 다공체 내부에 안정적으로 저장됨과 동시에 다공체 골격 자체가 에너지 저장에 기여할 수 있는 새로운 개념의 리튬금속 저장 다공체를 고안했다.

리튬 충·방전이 가능한 실리콘 음극 소재를 이용해 3차원 격자 구조 다공체를 제조했다. 이를 통해 에너지 밀도 손실 없이 안정적인 리튬 전착을 가능하게 했다. 본 연구를 통해 기존 리튬이온전지보다 약 2배 증가한 에너지 밀도를 갖는 리튬금속전지를 구현할 수 있었다.

이상영 교수는 "이번 연구는 차세대 고에너지 전극 기술로 주목을 받고 있는 리튬금속 저장 다공체의 이상적 구조를 최초로 구현한 결과로서, 이를 통해 전기자동차 및 ESS용 리튬금속전지의 실질적 실용화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 연구 의의를 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단 중견연구자사업의 지원으로 수행됐으며, 에너지 분야 국제 학술 권위지 '에너지 및 환경 과학'(Energy & Environmental Science)에 지난 19일 온라인 게재됐다.


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