차세대 배터리 '무음극 배터리' 성능 높일 방안 찾았다

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 차세대 배터리인 무음극 배터리의 성능을 높일 수 있는 연구결과를 내놨다. 무음극 배터리는 음극이 없어 부피가 줄어 에너지 밀도가 높지만 리튬금속 배터리에 비해 성능이 낮다는 문제가 있었는데 이를 해결하기 위한 주요 원인을 규명했다.

한국과학기술원(KAIST)은 최남순 생명화학공학과 교수 연구팀이 전극 계면에서 일어나는 반응의 비가역성과 계면피막 구조 변화를 분석해 무음극 배터리 퇴화 원인을 알아냈다고 5일 밝혔다.

연구진의 단체사진.(앞줄 왼쪽부터)이정아 박사과정, 강하늘 석사과정,(뒷줄 왼쪽부터) 김세훈 박사과정, 최남순 교수.(사진=KAIST)

최남순 교수 연구팀은 무음극 배터리를 처음 충전할때 구리 집전체 표면과 전착된 리튬 표면에서 바람직하지 않은 전해질 분해반응이 일어나 계면피막 성분이 불안정하게 변한다는 것을 확인했다.

배터리 제조 직후에는 용매가 구리 집전체 표면에 달라 붙어 초기 계면 피막을 형성하고, 충전시 양극으로부터 구리 집전체로 이동된 리튬 이온이 구리 집전체 표면에서 전자를 받아 리튬금속으로 전착(금속 코팅을 형성하는 공정)되면 전착된 리튬금속 표면에서 전해질 음이온이 분해돼 리튬금속표면에 계면 피막을 형성하는 것으로 나타났다.

또 집전체 표면에서 용매가 분해해 계면 피막을 만들고 그 후 전해질의 갈바닉 부식(전위 차이로 한쪽이 부식되는 과정)이나 화학적 부식(전해질 환원 분해)에 의해 계면 피막성분이 불안정한 성분으로 변하는 것으로 분석됐다. 그 결과, 리튬금속 전착과 탈리 반응의 가역성(초기 상황으로 되돌아올 수 있는지 여부)가 크게 줄었다.

연구팀은 무음극 배터리 선행 연구에도 리튬금속 배터리에 비해 성능이 열세인 이유를 다각도로 접근한 결과, 무음극 배터리의 열화를 막으려면 안정된 초기 전극 계면 피막을 만들어 전해질의 갈바닉 부식이나 화학적 부식을 줄이는 것이 필수적이라는 연구결과를 도출했다.

최남순 교수는 “무음극 배터리 성능 감소는 집전체에 전착되는 리튬금속표면에서 전해질이 바람직하지 않은 분해반응을 하고 형성된 계면피막의 성분이 안정적으로 유지되지 못하기 때문에 일어나는 것임을 확인했다”며 “앞으로 무음극 기술에 기반한 고에너지 차세대 배터리 시스템 개발에 중요한 실마리를 제공하겠다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’에 지난 달 6일자로 온라인 게재됐다.