카이스트(KAIST) 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 음극재가 없는 고에너지 밀도의 리튬이온전지 구동을 위한 음극 집전체 구조를 개발했다.

음극재가 없는 리튬전지는 휴대용 전자기기와 전기차(EV)에 사용되는 리튬이온전지의 많은 부피와 무게를 차지하는 흑연 음극재를 없앤 차세대 전지다. 

음극 활물질을 저장해두는 구리 집전체만이 음극부품으로 들어간다. 집전체 위에 높은 에너지밀도를 갖는 리튬 금속 형태로 에너지가 저장된다. 음극재가 없는 리튬전지는 기존 리튬이온전지와 비교해 60% 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다.

허나 리튬이온이 흑연에 저장되지 않고 리튬 금속 형태로 음극에 저장될 경우 리튬 금속의 수지상 성장으로 인해 지속적으로 비가역적인 리튬의 손실이 발생하며 충방전 효율을 크게 떨어뜨리는 문제점이 있다.

또 반응성에 차이가 있는 구리와 리튬 사이에 미세전류가 흐르면서 리튬의 부식과 동시에 구리 표면에서 전해액이 분해되는 갈바닉 부식(Galvanic corrosion)이 발생한다.

김희탁 교수팀은 3차원 음극 집전체 표면의 일함수(고체의 표면에서 전자를 빼내는 데 필요한 에너지)를 높여 리튬의 수지상 성장을 억제하고 집전체 표면에서 리튬과 전해액의 부식을 억제할 수 있음을 규명하고 음극재 없는 리튬전지의 구동이 가능함을 검증했다. 

연구팀은 탄소 집전체 표면에 인위적으로 탄소 결함 구조를 도입해 일함수를 높였고, 전자가 집전체 표면으로부터 탈출하기 어려워져 전해질이 전자를 받아 분해되는 환원반응이 크게 억제되는 현상을 확인했다고 설명했다.

동시에 일함수가 낮은 특성을 갖는 리튬 금속과는 강하게 상호작용을 하면서 집전체 위에 리튬 금속의 균일한 성장을 유도하고 안정적으로 에너지를 저장할 수 있음을 검증했다. 

연구팀은 이렇게 개발한 집전체를 통해 기존 구리 집전체 대비 월등하게 높은 성능을 확인했다고 설명했다. 극미량의 전해액만이 전지 내에 주입되는 희박 전해액 환경에서도 구동할 수 있음도 확인했다.

김희탁 교수는 “이번 연구결과는 리튬 배터리의 궁극적 형태인 음극재 없는 리튬 배터리의 구현을 위한 집전체 설계 방향을 새롭게 제시했다는 점에서 중요한 의미가 있다”고 전했다.

LG에너지솔루션(LG엔솔), KAIST 나노융합연구소, 과학기술정보통신부 기후변화대응과제의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 지난달 20일자 온라인판에 실렸다.