▲ 본 연구 성과가 게재된 Energy & Environmental Science 誌 뒷면 표지.

국내연구진이 리튬금속전지 상용화의 걸림돌로 작용하던 결정성장억제 원천기술을 개발했다.

한국화학연구원(원장 이규호)은 이종찬 서울대학교 화학생물공학부 교수 연구팀과 공동연구를 통해 차세대 리튬금속전지의 성능 및 안전성을 모두 확보할 수 있는 겔고분자전해질 첨가제 원천기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

리튬이온전지는 노트북, 휴대폰 등의 전자 제품에 널리 쓰이고 있으나, 용량과 수명 문제라는 한계에 부딪치고 있다. 이에 음극재에 흑연 대신 리튬 금속을 사용하는 리튬금속전지가 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 이차전지 중 하나로 주목받고 있다.

그러나 리튬금속전지는 충·방전 과정에서 리튬금속 표면에 형성되는 나뭇가지 형태의 결정으로 전지의 수명을 단축시키고, 내부단락을 일으켜 화재나 폭발등의 안전문제를 야기해 상용화를 위한 결정성장 억제 기술이 필요했다.

기존에 리튬 결정 성장을 막기 위해 고체 전해질을 써서 리튬 결정이 뻗어나오는 것을 물리적으로 막고, 리튬 양이온이 이동하는 비율을 상대적으로 높이는 기술을 사용했지만 이 기술은 제조공정이 복잡하고 이온전도도가 낮아 성능이 저하된다는 단점이 있었다.

이에 김동균 화학연구원 박사 연구팀과 이종찬 서울대 교수 연구팀은 나뭇가지 형태의 결정이 성장 억제를 위해 전지의 전해질과 관련된 새로운 기술을 개발했다.

기존 액체 전해질 대신, 불소계 겔고분자전해질에 보론나이트라이드를 소량(0.5%) 첨가해 리튬금속전지의 수명과 안전성을 크게 향상시켰다.

보론나이트라이드는 우수한 전기 절연성, 열적·기계적 안정성 및 열전도성으로 인해 전자, 에너지, 우주/원자력, 및 바이오-메디칼 등 다양한 산업분야에서 응용연구가 진행되고 있으나, 리튬메탈전지용 겔고분자전해질 첨가제로의 응용은 제시된 바가 없었다.

우선 연구팀은 보론나이트라이드를 2차원의 나노플레이크로 만들어 겔고분자전해질 내에 고르게 분산해 첨가하고 두물질이 잘 섞이도록 보론나이트라이드 표면에 겔고분자전해질과 유사한 불소계 고분자 사슬을 도입했다.

결정성장을 막기 위해 불소계 겔고분자 전해질에 보론나이트라이드를 첨가하는 기술은 국내 공동 연구팀이 최초다.

불소계 겔고분자 전해질에 보론나이트라이드를 0.5% 첨가하면 고체와 액체의 중간 정도의 물성을 가지면서도 전해질의 특성을 단단하게 만들 수 있다.

따라서 이온 전도도는 높지만 결정의 성장을 막지 못하는 액체 전해질의 단점을 보완할 수 있고, 단단하긴 하지만 이온 전도도가 낮아 성능이 저하되는 고체 전해질의 단점 또한 보완할 수 있다.

김동균 화학연구원 박사는 “이 연구를 통해 보론나이트라이드의 새로운 응용 가능성을 제시했으며, 특히 나뭇가지 형태의 리튬 금속 결정 성장을 효과적으로 제어하는 본 기술은 차세대 리튬금속전지 뿐만 아니라 리튬황전지, 리튬공기전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것이다.”고 연구의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구 성과는 에너지·환경 분야 최고 권위지인 ‘Energy & Environmental Science’의 2017년 9월호에 게재됐으며, 뒷면 표지논문으로 선정됐다.