[IT비즈뉴스 최태우 기자] 리튬이온전지보다 이론 상 에너지밀도가 10배 정도 높아 차세대 이차전지로 주목받고 있는 리튬금속전지가 주목받고 있다. 리튬금속의 전기화학적 안정성 확보를 위한 기술개발이 활발하게 진행되고 있는 가운데, 국내 연구진이 리튬-알루미늄 합급의 새로운 음극재 개발에 성공해 주목된다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구단 조원일 박사팀이 리튬금속전지 상용화의 최대 걸림돌인 물리화학적 불안정성을 제거할 리튬-알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 이와 함께 전해질 시스템을 최적화하면서 기존에 개발된 리튬이온전지 대비 2배 이상 수명을 끌어올리는 데도 성공했다.

이차전지로 많이 사용되는 리튬이온전지는 최근 단위 당 에너지밀도를 높이는 데 기술적인 한계점이 도달한 상태로 리튬금속을 활용한 이차전지 개발이 활발히 진행되고 있다.

리튬금속전지는 음극물질 중 최상급의 에너지밀도를 보유한 리튬금속을 음극으로 사용하는 전지다. 산화 환원 전위는 매우 낮아 경량화·대용량화가 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재로 주목받고 있다.

허나 부피팽창이나 전극-전해질 간 부반응을 유발하는 덴드라이트(dendrite) 현상으로 단락이나 폭발 가능성이 제기되면서 이를 해결한 기술 개발이 진행되고 있다.

KIST 연구진은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄에서 문제 해결의 실마리를 찾았다. 연구진에 따르면, 순수 리튬금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어하는 한편 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS) 기반의 초박막 인조보호막을 형성, 전지 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴트라이트의 성장을 억제하는 데 성공했다.

초박막 인조보호막은 KIST 조원일 박사가 앞서 개발한 ‘인조 고체-전해질 계면상(Artificial Solid-Electrolyte Interphase, ASEI)’으로 이미 지난해 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사하며 성능과 안정성을 입증하기도 했다.

이번 연구에서는 초박막 인조보호막의 양산성을 확보하기 위해 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금을 사용하면서 가격을 낮추고 제조공정 단순화와 전지 안정화에 연구력이 집중됐다.

KIST 조원일 박사는 “차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지를 필요로 하는 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템(ESS) 부문에 적용, 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 소감을 밝혔다.

해당 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 무인이동체 미래선도 핵심기술개발사업으로 수행됐다. 연구결과는 ‘Science Advances’ (IF : 12.80, JCR 분야 상위 5.07%) 최신호에 게재됐다.