군산대 이경구 교수 연구팀, 전기자동차용리튬금속전지 상용화 위한 기술 개발

▲이번 연구성과가 게재된 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 표지ⓒ군산대학교

국내 연구진이 차세대 이차전지로 꼽히는 '리튬금속 이차전지'의 수명과 출력을 개선하는 기술 개발에 성공했다.

전북군산대학교 화학과 이경구 교수팀이 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단 (연구위원: 곽경원 고려대 화학과 교수)과의 공동연구를 통해 리튬금속 이차전지의 수명 및 출력 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 기술 개발에 성공했다.

기존 리튬이온전지는 노트북, 휴대폰 등의 전자 제품 등에 널리 사용되고 있으나, 저장 용량이 작고 수명이 짧다는 한계로 인해 전기자동차용 이차전지로 사용하기에는 그 한계가 분명했다.

이에 흑연을 사용하는 리튬이온전지와 달리 10배 이상 큰 저장용량을 가진 리튬금속을 사용하여 개발된 리튬금속전지는 리튬이온전지의 한계를 극복한 전기차용 이차전지의 대안으로 주목받아 왔다.

하지만 리튬금속전지 역시 충/방전을 거듭할수록 리튬금속 표면에 나뭇가지 모양의 수지상결정(dendrite)이 형성되어 전지의 수명이 짧아지고, 화재나 폭발 등에 취약하다는 약점을 갖고 있었다.

수지상결정 형성은 리튬금속에 보호막을 도입하여 해결할 수 있으며 높은 농도의 전해질을 사용하면 효과적인 해결책으로 알려져 있다. 하지만 고농도의 전해질은 일반적으로 출력 성능이 저하되어 전기차용 이차전지로 사용하기에는 적합하지 않았다.

최근 이경구 교수 연구팀은 두 개의 전해질 염(LiPO2F2과 LiTFSI)을 사용하여 전지의 수명을 확보함은 물론 고성능의 출력을 낼 수 있는 기술을 순수 국내 연구로 개발하여 주목을 받고 있다.

연구팀은 리튬금속전지의 문제인 수지상결정 형성을 억제하기 위해 두 개의 전해질 염을 활용하여 리튬금속 보호막을 제작하는 기술을 적용하였다.

동시에 고농도 전해질의 한계였던 이온전도도는 전기자동차용 이차전지로 사용하기에 적합한 수준인 5mS/cm 이상을 보여 출력 성능 역시 높였다.

또한 연구팀은 이론 계산을 통해 두 종류의 전해질염을 포함하는 전해질 내에 이온 간의 선택적 상호작용이 존재한다는 것도 밝혔다. 이로 인해 고농도에서도 10% 이상의 자유 리튬이온이 존재하며 이는 높은 이온전도도의 원인임을 밝혀냈다. 이 원리는 향후 리튬금속전지의 고성능화를 위한 전해질 설계에 기여할 전망이다.

이경구 교수 연구팀의 연구결과에 따른 리튬금속전지가 전기차용 이차전지로 상용화될 경우 전기자동차의 주행거리를 대폭 늘릴 수 있어 국내 자동차 제조사들 및 이차전지 제조사들에 큰 도움이 될 것은 물론, 국내 기업들이 세계 전기차 시장을 선도할 수 있는 발판을 마련했다는 평이다.

교육부 개인연구사업(지역대학우수과학자)과 과학기술정보통신부 기초연구사업(기초연구실) 지원으로 수행된 이번 연구결과는 에너지 분야 세계적 권위지인 국제 학술지 'Advanced Energy Materials’ (인용지수 25.2) 표지 논문으로 선정되어 2월 8일 자로 게재되었다.