이상영 교수팀, 3차원 격자 구조 리튬금속 음극 개발

전기자동차 주행거리 2배 향상 가능한 리튬금속전지 상용화 발판 마련

세계적인 학술지 ‘Energy & Environmental Science’ 게재

[사진 1. (왼쪽부터) 이상영 교수, 류명화 제1저자, 김승혁 제1저자]

화공생명공학과 이상영 교수 연구팀은 3차원 격자 구조를 갖는 리튬금속 음극을 개발했다. 이를 통해 기존 리튬이온전지의 에너지 밀도 한계를 극복할 수 있는 차세대 전지 기술로서 세계적으로 주목받고 있는 리튬금속전지의 실질적 상용화를 위한 효율적인 접근법을 학문적으로 제시했다.

전기자동차 및 ESS에 사용되는 전지의 수요가 폭발적으로 늘어남에 따라, 고에너지 밀도 및 장수명 특성을 만족시킬 수 있는 차세대 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 상업적으로 가장 널리 사용되고 있는 리튬이온전지는 흑연 기반 음극을 사용해 리튬을 저장한다. 하지만 흑연 음극의 낮은 이론 용량(372 mAh/g)으로 인해 전지의 에너지 밀도를 높이는 데 한계에 이른 것으로 평가되고 있다.

반면, 리튬금속전지는 리튬금속을 음극 소재로 사용하며, 이는 흑연 대비 10배 이상 높은 이론 용량(3,860 mAh/g)을 가져 전지의 에너지 밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있는 기술이다. 이로 인해 국내는 물론 전 세계적으로 매우 활발히 연구개발이 진행 중인 전지 분야이지만, 리튬금속 음극은 충전 시 음극 표면에 리튬의 수지상 성장이 유도돼 낮은 수명 특성 및 안전성이 저하되는 문제가 있다. 

이를 극복하기 위한 선행 조건으로, 리튬 수지상 성장이 억제되고 균일한 리튬 전착이 가능해야 한다. 최근 리튬 저장이 가능한 다공체 도입이 상업화 가능성이 높은 시도로서 큰 주목을 받고 있다. 그러나 다공체 내부에 안정적 리튬 전착을 유도할 수 있도록 균일한 미세기공 구조를 구현하는 데 많은 어려움을 겪고 있다. 또한, 기존 연구들에서는 에너지 저장에 직접적으로 관여하지 않는 다공체 골격 자체의 무게 및 부피로 인해 전지의 실질적인 에너지 용량이 저하되는 문제가 수반됐다.

이러한 기존 연구들의 한계를 극복하기 위해, 이상영 교수 연구팀은 리튬이 다공체 내부에 안정적으로 저장됨과 동시에 다공체 골격 자체가 에너지 저장에 기여할 수 있는 새로운 개념의 리튬금속 저장 다공체를 고안했다. 즉, 리튬 충·방전이 가능한 실리콘 음극 소재를 이용해 3차원 격자 구조 다공체를 제조함으로써, 에너지 밀도 손실 없이 안정적인 리튬 전착을 가능하게 했다는 점이 주목할 만하다. 

본 연구의 3차원 격자 구조 리튬금속 음극은 하이니켈(NCM811) 고용량 양극과의 결합을 통해 기존 리튬이온전지보다 약 2배 증가한 에너지 밀도(644 Wh/kg, 1538 Wh/L)를 갖는 리튬금속전지를 구현했다.

[사진 2. 논문 대표 이미지] 

이상영 교수는 “이번 연구는 차세대 고에너지 전극 기술로 주목을 받고 있는 리튬금속 저장 다공체의 이상적 구조를 최초로 구현한 결과로서, 이를 통해 전기자동차 및 ESS용 리튬금속전지의 실질적 실용화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 본 연구의 의의를 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단 중견연구자사업의 지원으로 수행됐으며, 에너지 분야 국제 학술 권위지인 ‘에너지 및 환경 과학(Energy & Environmental Science, IF 38.532)’에 5월 19일 온라인 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: A microgrid-patterned silicon electrode as an electroactive lithium host

● 논문주소: https://doi.org/10.1039/D2EE00981A