울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀이 금속 화합물을 활용한 전극 공정 기술을 개발해 리튬 금속 전지의 성능을 크게 향상시켰다고 25일 밝혔다.
UNIST에 따르면 연구팀은 금속 플루오라이드 화합물을 이용해 금속 표면은 내화학성이 좋은 보호층으로, 내부는 리튬 원자의 이동성이 향상된 리튬 합금으로 이뤄진 전극 공정 기술을 개발했다.
리튬 금속은 높은 용량과 낮은 구동 전압으로 이상적인 차세대 음극재로 주목받고 있다. 그러나 전기화학적으로 증착된 리튬이 불균일한 수지상을 형성하거나 전해질과의 부수적인 반응으로 인해 수명이 짧고, 전기적 단락에 의한 화재 위험이 있다는 점이 단점이다.
특히 리튬을 전착(전기 분해로 전극 상에 물질이 형성하는 것)할 때 발생하는 새로운 리튬 표면은 지속해서 유기 전해질과 반응하는데, 이는 리튬 전해질에 손실을 입히고 두꺼운 피막층을 형성하게 해 성능을 크게 저하시킨다.
연구팀은 전지 성능 향상을 위해 낮은 열처리 조건에서도 리튬과 활발히 반응하는 금속 플루오라이드의 성질을 이용했다. 리튬 플루오라이드는 표면 보호층을 형성하면서 내부 리튬 합금을 전해질로부터 보호할 수 있게 된다.
이 리튬 합금 전극은 전해질 첨가제가 포함된 시스템에서 구동할 때 기존 전극 대비 약 4배 이상, 약 2천시간 이상의 향상된 전지 수명을 보였다. 또 전해질 첨가제가 포함되지 않은 시스템에서도 700시간 이상 안정적으로 구동되는 것을 확인했다고 연구팀은 설명했다.
아울러 연구팀은 실시간 투과전자현미경 분석법으로 금속 플루오라이드 화합물이 리튬과 반응하는 메커니즘을 규명했다.
제1저자 김민호 박사후연구원은 "이 연구는 합금 상태도를 이용해 기존 리튬 금속에 비해 계면 특성이 향상된 합금을 만드는 기준점을 제시했다"며 "리튬 금속 전지 상용화를 위한 한 지표가 될 것"이라고 말했다.
이번 연구는 UNIST 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연계 신진후속사업, 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 결과는 나노 소재 국제 학술지 '나노 레터스'(Nano Letters) 7일 자에 온라인으로 게재됐다.
헬로티 이창현 기자 |
