생기원, 차세대 리튬금속 전지용 '무음극 집전체 기술' 개발

국내 연구진이 최근 리튬 배터리의 안전성을 높이는 최첨단 기술의 구현에 성공했다.

한국생산기술연구원과 숙명여자대학교의 공동 연구팀은 3차원 다공성 구리 집전체 기술을 개발해 안전성이 뛰어난 무음극 리튬금속 전지 시스템을 구현했다고 17일 밝혔다.

리튬을 사용하는 전지는 현재 리튬을 음극재로 사용하는 금속 이차전지와 상용 리튬이온전지의 두 가지로 나뉜다.

그중 리튬 음극재 이차전지는 상용 리튬이온전지보다 높은 에너지밀도를 보여 차세대 이차전지로 주목받고 있으나, 리튬 덴드라이트 형성이라는 큰 단점이 존재한다.

덴드라이트란 전지의 단락(끊김)을 유발하는 나뭇가지 모양의 결정으로, 금속 이온이 음극에 축적돼 형성된다.

한국생산기술연구원과 숙명여대의 공동연구진이 개발한 3차원 다공성 구리 집전체 모식도 [한국생산기술연구원 제공]

덴드라이트로 인해 전지가 끊어지면 고장이나 폭발로 이어질 수 있고, 전극 표면에 덴드라이트가 형성되면 리튬 이온 이동이 원활하지 못해 전지 효율과 수명이 줄어든다.

이에 공동 연구팀은 무음극 전지 시스템의 집전체에 주목하여 전해도금 기술을 활용한 3차원의 다공성 구조를 갖는 구리 집전체를 개발하고 이를 기반으로 한 무음극 전지 시스템을 개발했다.

금속 이온이 음극에 축적되는 문제를 구멍이 많은 다공성 구조를 통해 음극을 사실상 제거하는 방향으로 나아갔다는 것이 연구팀의 설명이다.

개발된 집전체는 리튬 충·방전 시 수직 형태로 리튬 덴드라이트를 형성하는 기존 박막 형태 집전체와 달리, 3차원 다공성 구조체 내에서 고립된 형태로 들러붙었다가 따로 떨어진다.

한국생산기술연구원 로고 [자료=한국생산기술연구원]

이 경우 리튬 이온이 다공성 구조에 갇혀 집전체 구조 밖에서 성장하지 못하기 때문에 양극과 만나지 않아 덴드라이트로 인한 폭발을 예방할 수 있다.

또 전지의 안전성 효과 외에도, 기존 구리 박막 집전체보다 충·방전 시 부피 팽창률을 4분의 1 수준으로 감소시키고, 리튬 핵생성 과전압도 50%가량 낮추는 것으로 나타났다.

이번 연구 성과는 지난 8월 화학공학 분야 세계적 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'(Chemical Engineering Journal) 온라인판에 게재된 바 있다.