김병곤 한국전기연구원(이하 KERI) 차세대전지연구센터 박사가 리튬금속전지용 고효율 리튬 저장 기술을 개발하는 데 성공했다.

리튬이온전지는 흑연으로 이루어진 음극에 리튬 이온을 탈·삽입해 에너지를 낸다. 휴대전화기와 노트북 등 전자기기 전력원으로 널리 사용되고 있다. 하지만, 흑연 자체 무게와 부피로 말미암아 높은 저장 에너지를 확보하는 데 큰 한계가 있었다.

이를 대체하는 '리튬금속전지'는 리튬금속 자체를 음극으로 사용하는 전지다. 리튬금속 음극은 기존 흑연(372mAh/g) 음극과 비교해 이론상 저장용량이 10배 이상(3860mAh/g) 높아 전기차 등 대용량 전지가 필요한 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 하지만, 리튬금속 역시 충전과 방전을 거듭할수록 나뭇가지 모양의 수지상 결정(dendrite)이 형성돼 부피가 커지고, 전지 수명 저하와 화재·폭발 등으로 이어진다는 치명적인 문제가 있다.

많은 연구자가 리튬을 특수한 구조체에 저장하는 방식으로 수지상 결정을 막으려는 노력을 기울였지만 효율성이 떨어졌고 리튬을 저장하기 위한 내부 공간을 효과적으로 사용하지 못하는 문제로 어려움을 겪고 있었다.

이러한 문제를 해결하고자 김 박사는 리튬 친화성 물질인 '금' 나노 입자가 내부에 소량(무게 비 1%) 포함된 '코어 셸(Core-Shell)' 구조의 '탄소 나노 파이버' 구조체를 제작했고, 코어 내부에 리튬을 선택적으로 저장함으로써 리튬 전·탈착(electro-deposition·dissolution) 효율을 향상시키는 방식을 활용했다. 금 나노 입자는 리튬 친화성 특성이 있어서 구조체 내부에서 리튬이 전·탈착되도록 도와주고, 구조체 외부에 수지상 결정이 성장하는 것도 억제해줬다. 특히 어려운 합성 과정으로 소량 생산이 아닌 '전계방사법(electrospinning)'이라는 합성법으로 대량 생산이 가능하다는 점에서 실용성이 크다.

KERI는 해당 기술이 앞으로 고용량 배터리가 필요한 전기차나 드론, 전력저장장치(ESS) 등 분야에 적용될 수 있을 것으로 전망하고 있다.

이번 연구결과는 국제학술지인 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)>에 게재됐다.

이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업(과제책임자 이상민)·KERI 기본사업(과제책임자 김병곤)으로 진행됐다.