DGIST(총장 국양) 에너지공학전공 이용민 교수, 이홍경 교수, 한밭대 화학생명공학과 유명현 교수 공동 연구팀이 리튬 금속 분말에 안정화 첨가제를 첨가한 초박막 리튬 금속 음극 제조 기술을 개발했다.

이번에 개발한 음극 제조 기술은 기존 음극보다 사용수명을 늘릴 수 있어, 향후 이차전지 개발에 긍정적인 영향을 줄 것으로 보인다.

리튬 금속으로 제작된 전극은 높은 이론 용량(3860 mAh g-1), 낮은 환원 전위(-3.04 V vs Li/Li+)를 가져, 전지의 에너지 밀도를 높이는데 적합한 음극재로 관심을 받아왔다.

하지만 충·방전 과정 중 지속적인 리튬 덴드라이트(Lithium Dendrite)가 형성되며 음극의 표면이 균일하지 못하게 되고, 이로 인한 성능 저하와 내부 단락에 의한 전지 발화 등이 발생하는 단점으로 사용에 한계가 있어왔다.

이에 공동 연구팀은 기존 음극에 새로운 물질을 첨가해 문제를 억제시킨 새로운 음극 제작 기술을 개발했다.

연구팀은 음극 제작을 위해 계면보호 첨가제인 ‘리튬 질산염’을 리튬 금속 분말과 혼합하고, 용액 상 반응을 통해 음극 표면이 균일하게 형성되도록 유도했다.

거푸집 구조에 담지된 리튬 질산염은 서서히 전해질로 방출되어 전지를 장기간 사용하더라도 지속적으로 계면이 보호되도록 설계했다. 

이렇게 개발된 음극은 20 마이크로미터(㎛) 두께로, 공동 연구팀은 긴 시간 사용하는 조건에도 기존 대비 약 50배가량 수명특성이 향상했다.

또한, 리튬 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제했으며 상용전지 수준의 수명특성이 확보될 수 있음을 실험을 통해 검증했다.

DGIST 에너지공학전공 이용민 교수는 “이번에 개발한 기술은 초박막·광폭 리튬 금속 전극 제조 및 성능 확보가 가능한 원천 기술로, 다양한 전지 및 전해액 시스템에서도 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

이어 “리튬 금속이 적용되는 다양한 차세대 이차전지에 적용될 수 있도록 더욱 발전시키고자 한다.”고 포부를 밝혔다. 

해당 연구는 DGIST 에너지공학 전공 이용민 교수, 이홍경 교수, 한밭대 화학생명공학과 유명현 교수의 공동 연구를 바탕으로 DGIST 에너지공학전공 진다희 박사과정생이 제1저자로 참여했다.

이 연구는 에너지 소재 분야 저명 국제 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’에 뒷표지 논문으로 5월 12일(수)에 게재됐다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구실 지원사업과 우수 신진연구 지원사업, 그리고 일진머티리얼즈㈜ 지원을 받아 수행됐다.

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