친환경 리튬금속전지 상용화 다가서다…물만 사용해 수명 7.5배 향상

KAIST, 중공 나노섬유 리튬금속보호막 개발
친환경 고분자와 물 사용해 수명 획기적 향상
국내 연구진이 물을 이용해 리튬금속전지 수명을 획기적으로 높이는 기술을 개발했다. 차세대 이차전지로 주목받고 있는 리튬금속전지를 환경친화적으로 상용화할 수 있는 가능성을 열었다.

KAIST는 김일두 신소재공학과 교수 연구팀이 이지영 아주대 교수팀과 공동으로 물을 이용한 친환경 공법으로 기존 리튬금속 음극보다 수명을 약 7.5배 향상시키는 '중공 나노섬유 리튬금속보호막'을 개발했다고 2일 밝혔다.

리튬금속은 기존 리튬이온 배터리의 성능 한계를 극복할 수 있는 차세대 음극으로 주목받아 왔다. 하지만 충전 과정에서 리튬이온이 음극 표면에 나뭇가지 모양으로 성장하는 덴드라이트 현상으로 인해 배터리 수명을 저하시키고, 화재 위험을 안고 있다.

이를 위해 리튬금속 표면에 보호막을 입혀 리튬금속과 전해액 간 계면을 인공적으로 만드는 보호막 기술이 활용되고 있으나, 인체에 유해한 공정과 높은 재료 등으로 리튬금속 음극의 수명을 높이는 데 한계가 있었다.

연구팀은 리튬이온 성장을 물리·화학적 방법으로 제어할 수 있는 중공(中空) 구조의 나노섬유 보호막을 개발했다. 이 보호막은 식물에서 추출한 친환경 고분자인 구아검(구아콩에서 얻어낸 천연 고분자 화합물)을 물에 녹인 뒤 전기를 가하는 전기방사 공법으로 수십∼수 마이크로미터 굵기의 고분자 섬유를 실처럼 얇게 퍼뜨려 보호막을 제조했다.

보호막이 전해액과 리튬 이온 간 가역적 화학반응을 효과적으로 제어했고, 섬유 내부의 빈 공간에 리튬이온이 금속 표면에 쌓이는 것을 억제했다.

이 보호막을 적용한 리튬금속 음극은 기존 리튬금속 음극보다 수명이 약 7.5배 향상됐으며, 300회의 반복적인 충·방전에도 약 93.3%의 용량을 안정적으로 유지하는 세계 최고 수준의 성능을 달성했다고 연구팀은 설명했다.

특히 보호막은 약 한 달 안에 흙에서 완전히 분해되는 친환경 특성을 지녔다.

김일두 KAIST 교수는 "리튬금속과 전해액 간 가역적 반응을 유도하고, 수지상 결정 성장을 억제해 획기적인 수명 특성을 가진 리튬금속 음극을 개발할 수 있었다"며 "물만을 사용한 친환경적인 제조 방법과 자연 분해되는 특성은 차세대 친환경 배터리의 상용화에 기여할 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(지난달 21일자)' 표지논문으로 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr