KAIST는 신소재공학과 김일두 교수팀이 물을 이용해 리튬금속전지 수명을 획기적으로 향상시키는 데 성공했다고 2일 밝혔다.
연구팀은 아주대 이지영 교수와 공동연구로 중공 나노섬유를 리튬금속보호막으로 사용해 리튬의 성장을 안정화하고 차세대 리튬금속 음극제 수명을 750% 늘리고 충방전 성능도 세계 최고 수준을 기록했다.
리튬금속은 기존 이차전지의 성능 한계를 극복할 차세대 음극제로 주목받았지만, 전지 수명단축과 화재 위험성이 해결해야 할 문제였다.
이에 대안으로 리튬금속 표면에 보호막을 적용해 리튬금속과 전해액 간 계면을 인공적으로 조성하는 보호막 기술이 제시됐지만, 이는 인체에 유해한 공정과 고가의 재료가 필요해 한계가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 리튬이온 성장을 물리·화학적으로 제어할 수 있는 ‘중공 나노섬유 보호막’에 초점을 맞췄다.
이 보호막은 식물 추출 친환경 고분자 ‘구아검(Guar gum)’을 재료로 한다. 구아검은 구아콩에서 얻은 천연 고분자 화합물로, 다량의 단당류 구조를 갖고 단당류에 있는 산화관능기가 리튬이온과의 반응을 제어한다.
연구팀은 여기에 전기장을 가해 나노~마이크로미터 직경 고분자 섬유를 연속생산하는 전기방사공법을 적용했다.
특히 나노섬유 보호막을 적용해 전해액과 리튬이온 간 가역적 화학반응을 효과적으로 제어하고, 섬유 내부 빈 공간을 활용해 리튬이온이 금속표면에 무작위로 쌓이는 것을 억제함으로써 리튬금속과 전해액 간 계면 안정화도 달성했다.
연구팀이 개발한 보호막을 적용한 리튬금속 음극은 기존보다 수명이 750% 향상됐을뿐 아니라 300회 충방전 반복에도 용량 93.3%를 안정적으로 유지하는 세계 최고 성능을 기록했다.
아울러 연구팀은 이 보호막이 흙에서 한 달 내 완전 분해됨을 확인, 제조에서 폐기까지 모든 과정이 친환경적임을 확인했다.
김 교수는 “물리·화학적 보호막 기능을 모두 활용했기 때문에 더욱 효과적으로 리튬금속과 전해액 간 가역반응을 유도하고 수지상 결정 성장을 억제해 획기적인 수명 특성을 가진 리튬금속 음극을 개발했다”며 “급증하는 이차전지 수요로 환경부하가 심각하게 대두되는 상황에서 물만 사용한 친환경 제조법과 자연분해 특성은 차세대 친환경 이차전지 상용화에 큰 기여를 할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 신소재공학과 출신 이지영 아주대 화공과 교수와 송현섭 박사(삼성전자)가 제1저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 `어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 지난달 21일자 표지논문으로 선정됐다.
(논문명 : Overcoming Chemical and Mechanical Instabilities in Lithium Metal Anodes with Sustainable and Eco-Friendly Artificial SEI Layer)
