배터리 내부 모양을 변화시켜 성능을 개선한 리튬금속전지가 개발됐다. 배터리 내부를 실시간 관찰하는 이미징 기술을 보유한 연구자가 이뤄낸 성과다.
이현욱 울산과학기술원 교수(사진)팀은 싱가포르 A스타연구소와의 공동연구를 통해 수명과 안정성이 향상된 리튬금속전지를 개발했다고 밝혔다.
노트북, 휴대폰 등에 쓰이는 이차전지를 전기자동차, 에너지저장장치 등에 적용하려면 용량을 높이는 게 필요하다. 이를 위해서는 기본적으로 고용량 특성이 있는 양극 물질과 음극 물질이 있어야 한다.
그 중에서도 리튬금속은 리튬이온전지의 에너지 용량을 끌어올릴 차세대 음극 물질로 주목받고 있다. 음극 물질 중 구동 전압이 가장 낮고 현재 상용화된 흑연 음극보다 용량이 10배 가량 높다. 그러나 충·방전 반응이 일어날 때 전극에 나뭇가지 모양으로 결정이 생겨 전지의 성능이 낮아지는 문제가 있었다.
연구팀은 리튬금속 표면에 실리콘을 코팅해서 나뭇가지 모양의 결정이 성장되지 않도록 제어했다. 그 결과 전지의 성능도 개선되고 수명도 더 길어졌다.
특히 배터리가 구동할 때의 반응을 실시간으로 관찰해, 개발된 리튬금속 전극이 어떤 원리로 성능이 개선되는지 시각적으로 입증했다. 일반 리튬금속 음극은 나뭇가지 모양 결정이 분리막을 뚫고 전지를 단락시키는 반면, 실리콘 코팅된 리튬금속 음극은 결정이 없다 보니 충전이 고르게 일어나고 부피팽창된 모양도 안정적인 것으로 나타났다.
이현욱 교수는 "배터리를 직접 관찰해 리튬금속 음극 물질의 작용 모습과 나뭇가지 모양 형성 현상을 이해하고 그 해결점을 제시했다는 데 의미가 있다"고 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(신진연구) 지원으로 이뤄졌다. 연구결과는 국제학술지 어드밴스드머티리얼스(Advanced Materials) 6일자에 게재됐다.
