국내 연구진이 음극재 없는 리튬이온 전지를 구현할 수 있는 기술을 확립했다. 리튬이온전지에서 많은 부피와 무게를 차지하는 흑연 음극재를 없앨 경우, 보다 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 높은 성능으로 장기간 구동이 가능해질 전망이다.
KAIST는 김희탁 교수 연구팀이 음극재가 없는 고에너지 밀도의 리튬이온 전지 구동을 위한 '음극 집전체 구조'를 개발했다고 8일 밝혔다.
리튬이온전지는 흑연 음극재, 금속산화물 양극, 집전체, 분리막, 전해액 등으로 구성돼 있다. 음극재는 배터리의 충전 속도와 수명을 결정하는 데, 이를 없애면 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있어 차세대 구조의 전지로 주목받고 있다. 이 가운데 집전체는 전지 내 활물질에서 전기화학 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 전달하거나 활물질에서 전자를 받아 외부로 흘려 보내는 통로 역할을 한다.
음극재가 없는 리튬이온전지는 기존에 비해 60% 더 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 산업계와 학계에서 활발하게 연구가 이뤄지고 있다.
하지만, 리튬이온이 흑연에 저장되지 않고, 리튬 금속 형태로 음극에 저장될 경우 리튬 금속의 불균일한 성장과 리튬과 구리 접합에 따른 부식 등으로 리튬 손실이 발생해 충방전 효율이 떨어지는 문제가 생긴다.
연구팀은 3차원 음극 집전체 표면의 일함수(고체 표면에서 전자를 빼내는 데 필요한 에너지)를 높여 리튬의 불균일한 성장을 억제하고, 표면에서 리튬과 전해액 부식을 억제할 수 있음을 규명했다. 이어 이를 기반으로 음극재 없는 리튬이온전지의 구동이 가능함을 검증했다.
특히 음극 집전체는 기존 구리 집전체에 비해 월등히 높은 성능을 보였고, 극미량의 전해액을 전지 내에 주입해도 구동한다는 것을 확인했다고 연구팀은 설명했다.
김희탁 KAIST 교수는 "리튬이온전지의 궁극적 형태인 음극재 없는 리튬배터리 구현을 위한 집전체 기술을 새롭게 제시했다는 데 의미가 크다"며 "휴대용 전자기기나 전기자동차 등 다양한 차세대 리튬이온전지의 음극 설계에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.
이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(지난 20일자)' 온라인판에 실렸으며, LG에너지솔루션과 KAIST 나노융합연구소, 과기정통부의 지원을 받아 연구가 수행됐다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr
김희탁 KAIST 교수 연구팀은 음극재 없는 '차세대 리튬이온전지'를 구현할 수 있는 음극 집전체를 개발했다.
