배터리 2배↑ 효율-성능저하 해소 리튬금속이온전지 개발

KIST/과학기술정보통신부 제공

[이데일리 이재운 기자] 기존 리튬이온(Li-ion) 전지보다 두 배 이상 높은 효율을 제공하는 리튬금속-이온전지를 국내 연구진이 개발했다. 충전과 방전 반복 속에 발생하는 성능 저하도 해결했다는 설명이다.

25일 과학기술정보통신부는 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 조원일 박사팀이 현재 스마트폰이나 노트북에 쓰이는 리튬이온전지의 에너지 밀도를 2배 이상 상회하고, 1200회 이상 충·방전해도 초기 대비 80% 이상의 성능이 유지되는 리튬금속-이온전지를 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 리튬금속 표면에 인조 보호막을 덧입혀 전지의 성능과 안정성을 높인 것으로, 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy), IF(46.859)’ 25일자 온라인판에 게재됐다.

리튬금속-이온전지는 리튬이온전지의 흑연 음극을 리튬금속으로 대체한 전지다. 리튬이온전지보다 이론상 에너지용량이 10배 이상 커서 차세대 전지시스템으로 주목받고 있지만, 리튬금속의 높은 반응성 때문에 전지의 폭발을 유발하거나 수명을 단축시키는 문제가 있었다.

이런 위험은 금속표면에서 비정상적인 성장이 나타나는 현상인 덴드라이트(dendrite)가 생성되며 발생한다. 연구팀은 이를 억제하기 위해 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사해 ‘랭뮤어-블라젯 인조 고체-전해질 계면상’이라 부르는 인조 보호막과, 양자역학 계산을 활용해 최적의 전해질 배합을 개발했다.

이런 인조 보호막과 전해질 배합을 통해 1200회 이상 충·방전을 하더라도 초기 성능 대비 80%를 유지하고, 상용화된 리튬이온전지 수준으로 리튬금속의 양을 줄여도 200회 이상 충·방전이 가능하다는 것을 확인했다.

이번 연구로 리튬이온전지가 지닌 에너지 저장능력의 한계를 넘어서는 고용량·장수명 전지의 제조가 가능해졌으며, 리튬금속-이온전지을 포함한 리튬-황전지, 리튬-공기전지 등 차세대 전지산업에 큰 기회를 가져올 것으로 기대된다.

조원일 책임연구원은 “이번 연구결과는 차세대 전지의 성능과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원천기술을 개발한 것”이라며 “드론, 자율주행차, 무인잠수정 등 무인이동체 산업을 비롯하여 다양한 산업으로 파급될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과기정통부의 ‘무인이동체 미래선도 핵심기술개발사업’과 한국과학기술연구원(KIST)의 ‘미래원천기술연구’의 지원을 받았다.

조원일 KIST 녹색도시연구소 에너지저장연구단 박사