리튬금속전지 수명 늘리는 전극 설계 기술 개발!

리튬금속전지 수명 늘리는 전극 설계 기술 개발

– 표면활성 구배형 전극 설계로 전지 수명 문제 해결 기대 –

전기자동차나 정보저장장치의 배터리로 쓰이는 리튬이온전지의 음극소재인 흑연의 용량한계를 극복할 돌파구가 나왔습니다. 흑연 대신 에너지 밀도가 10배 이상 높은 리튬을 음극소재로 쓰려는 노력이 계속되는 가운데 국내 연구팀이 리튬 음극소재의 약점인 내구성을 높일 방법을 찾아낸 것인데요.

이종원 교수(대구경북과학기술원), 박민식 교수(경희대학교), 김정호 교수(호주 울런공대학교) 공동 연구팀이 차세대 리튬금속전지의 수명을 향상시킬 3차원 리튬저장체 설계 기술을 개발했다는 소식입니다!

리튬금속전극은 높은 이론용량(3,860 mAh/g)에도 불구하고 충·방전 과정에서 지속적으로 전극 주변에 나뭇가지 모양의 리튬결정이 형성되면서 극심한 부피변화가 발생, 결국 전극의 성능저하로 이어지는 것이 문제였습니다. 때문에 넓은 표면적의 다공성 구조체(기공 크기 : 수십 나노미터~수십 마이크로미터)에 리튬을 저장하는 방식으로 부피변화를 방지하려는 연구가 이어져 왔지만 리튬이 의도한 기공 내부가 아닌 구조체 표면에 불균일하게 증착되는 것이 문제였습니다.

표면활성 구배형 전극에서 리튬저장 거동 및 전기화학 시뮬레이션
기존 리튬저장전극은 리튬이 구조체 내부에 저장되는 것이 아니라 구조체 표면에 불균일하게 증착되는 문제가 발생한다. 이에 반해 표면활성 구배형 전극은 리튬저장 반응이 전극하부부터 균일하게 진행되는 것을 전기화학 시뮬 레이션을 통해 예측하였다.

이에 연구팀은 전기화학 시뮬레이션을 통해 3차원 구조체에서의 가역적인 리튬저장 기작을 찾아내고, 충·방전 수명 특성을 향상시킬 수 있는 표면활성 구배형 전극설계 기술을 제시하였습니다.

※ 리튬 수지상(lithium dendrite)
리튬의 불균일한 증착/탈리 과정에 의해 형성되는 나뭇가지 모양의 리튬 결정

※ 표면활성 구배(interfacial activity gradient)
전극표면에서 두께방향으로 갈수록 리튬 ‘이온’이 환원되어 리튬 ‘금속’으로 증착되는 정도인 표면활성이 증가하도록 한 것

표면활성 구배형 전극에서 가역적인 충전(리튬증착) 및 방전(리튬탈착)
전기화학 시뮬레이션 결과를 실험적으로 검증하기 위하여 모델전극을 설계하고 제작하였다. 고용량 충전과정 중 전극하부부터 리튬이 증착되고, 방전과정 중 전극상부부터 리튬이 탈착되는 과정을 실험적으로 확인하였다.

전극표면부터 내부로 들어갈수록 리튬이온이 리튬금속으로 환원 되는 성질, 즉 표면활성이 더 높아지도록 함으로써 선택적인 리튬금속의 증착을 유도, 리튬이 전극 하부부터 균일하게 저장될 수 있도록 한 것입니다.

그 결과 반복적인 충·방전 시에도 리튬 수지상 형성 및 부피 변화가 발생하지 않아, 장기간 안정적인 성능이 유지되는 것을 실험적으로 검증하였습니다.

연구팀에서 제시한 소재 및 전극 디자인 개념은 기존 리튬이온전지 대비 높은 에너지밀도와 우수한 수명 특성을 갖는 고효율 리튬금속전 구현에 도움이 될 것으로 기대되고 있습니다.

[출처] 한국연구재단 홈페이지 및 기초공감 블로그