고용량의 에너지저장장치(ESS)에 대한 필요성이 커지고 있다. 폭발 위험성이 없는 배터리 제품에 대한 욕구도 강하다. 국내 연구팀이 이차전지의 대명사 격인 리튬이온전지보다 이론상 에너지 밀도가 10배가량 더 높다고 알려진 차세대 전지 시스템 ‘리튬금속전지’ 개발에 속도를 내고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 에너지저장연구단 조원일 박사팀이 리튬금속전지 상용화의 최대 걸림돌인 물리 화학적 불안정성을 제거할 리튬-알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발했다고 17일 발포했다.

연구팀은 이와 함께 전해질 시스템을 최적화해 기존에 개발된 리튬이온전지 대비 2배 이상 수명을 끌어올리는 데도 성공했다. 리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 전지이다. 리튬금속은 현재까지 파악된 음극 물질 중 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있다. 산화 환원 전위는 매우 낮아 경량화와 대용량화가 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재로 기대를 모은 바 있다.

문제는 리튬금속 표면에서 발생하는 덴트라이트로 인해 전극 단락과 폭발 가능성이 제기되며 흑연 음극을 사용하는 리튬이온전지가 먼저 상용화됐다. 덴드라이트(dendrite)는 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정을 말한다. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다.

상용화 이후 지속해서 기술개발이 이뤄져 온 리튬이온전지는 최근 단위 무게당 에너지 밀도를 더 높이기 어려운 한계점에 이른 것으로 평가되고 있다. 반면 전기자동차, 드론 등 다양한 분야에서 더욱 높은 성능의 고용량 전지가 요구되는 상황에 따라 전 세계적으로 리튬금속 음극의 전기화학적 안정성을 확보하기 위한 연구가 활발히 진행됐다.

KIST 연구팀은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄에서 문제 해결의 실마리를 찾았다. 기존의 순수 리튬금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어하는 한편, 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS) 기반의 초박막 인조보호막을 형성해 전지 용량과 수명을 급격히 떨어트리는 덴트라이트의 성장을 억제했다. 초박막 인조보호막은 KIST 조원일 박사가 개발한 인공 고체-전해질 계면상으로 이미 지난해 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사하며 성능과 안정성을 입증한 바 있다.

이번 연구에서는 특히 초박막 인조보호막의 실제 양산성 확보를 위해 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮추고 복잡한 제조공정 단순화, 전지 안정화에 연구력이 집중됐다.

조원일 박사는 “기존 리튬이온전지의 용량 한계가 예상됨에 따라 리튬금속전지 개발의 요구가 점증하고 있다”면서 “차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지가 필요한 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템(ESS) 등의 발전에 이바지할 수 있게 되기를 기대한다”고 말했다.

연구결과는 ‘Science Advances’ 최신호(논문명: Enabling reversible redox reactions in electrochemical cells using LiAl intermetallic compound and MoS2 Langmuir-Blodgett artificial solid-electrolyte interphase)’에 실렸다.