▲ 고분자의 탄화를 통해 비결정질 탄소와 무기나노입자의 형성으로 계층적 구조가 형성된 탄소섬유 표면에 리튬 수지상 돌기를 억제하는 효과를 제시한 모식도와 녹은 리튬이 빠른 시간에 탄소섬유페이퍼에 흡수되는 사진

KIST-GIST 공동연구팀이 리튬메탈 전지의 구리박막 음극재를 탄소섬유 페이퍼로 대체, 내구성과 에너지밀도를 높이고 경량화해 더 오래가는 전기차 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김진상) 탄소융합소재연구센터 이성호 센터장 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 엄광섭 교수팀과 함께 탄소섬유 페이퍼를 음극소재로 사용, 리튬메탈 전지의 내구성을 3배 이상 향상시키는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

전기차 보급 확대로 이차전지 수요가 증가함에 따라 기존 리튬이온 전지보다 용량이 크고 급속충전이 가능한 차세대 이차전지의 필요성이 커지고 있다.

리튬이온의 음극소재인 흑연을 리튬메탈로 대체한 전지는 이론적으로 리튬이온전지보다 10배 높은 용량을 구현할 수 있다. 그러나 충·방전 중에 리튬 표면에 결정 돌기가 생성되며 분리막을 찢는 현상이 있어 내구성과 안전성 문제로 상용화가 어렵다.

연구진은 리튬메탈을 코팅한 구리 박막을 리튬메탈이 함유된 얇은 탄소섬유 페이퍼로 대체했다. 개발된 탄소섬유 페이퍼는 탄소 단섬유 위에 무기 나노입자인 비결정질 탄소와 탄산나트륨으로 표면처리를 하여 리튬 친화적인 특성을 가지며 리튬 수지상 결정이 뾰족하게 성장하지 못하게 했다.

KIST-GIST 공동연구진은 개발한 탄소섬유 페이퍼 음극소재 사용 결과 구리 박막보다 3배 이상 높은 내구성을 갖는 리튬메탈 전지를 제조했다. 구리 박막은 약 100회의 충·방전 사이클 이후 단락이 일어났지만, 새로 개발한 탄소섬유 페이퍼는 300 사이클 이상에서 안정적 성능을 보였다.

또 구리 박막을 사용하는 리튬메탈 전지의 에너지 밀도 에너지 밀도를 240Wh/kg에서 428 Wh/kg으로 약 1.8배 증가시켰다. 또 녹은 리튬이 탄소섬유 페이퍼에 빠른 시간 내에 흡수되는 특성을 보이기 때문에 전극 제조공정을 단순화시킬 수 있다.

연구를 주도한 KIST 이성호 센터장은 “구리 대비 탄소섬유는 밀도가 5배 낮고 가격도 저렴해, 연구팀이 제안한 음극재는 내구성이 높고 경량화된 리튬메탈 전지 상용화를 앞당길 수 있는 중요 성과”라고 밝혔다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업으로 수행됐다. 연구결과는 국제학술지 ‘어드벤스드 에너지 머티리얼즈’ (IF=29.698, JCR 상위 2.464%) 1월호에 게재됐다.