전기차·드론처럼 가볍고 오래가는 배터리 필요한 분야, 폭넓게 활용될 것
포스텍 연구팀이 무음극 리튬금속전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 새로운 방법을 개발했다.
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| ▲ 포스텍 배터리공학과 이민아 교수(왼쪽부터), 포스텍 배터리공학과 홍지현 교수, 전북대 화학과 김동연 교수. [포스텍 제공] |
포스텍은 배터리공학과 이민아·홍지현 교수 연구팀이 전북대 화학과 김동연 교수 연구팀과 함께 무음극 리튬금속전지에서 리튬이 고르게 자라는지가 구리 집전체 속 '결정립계'에 달려 있다는 사실을 밝히고 이를 제어하는 기술을 개발하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.
이번 연구는 국제 학술지인 'ACS 에너지 레터스' 온라인판에 게재됐다.
무음극 리튬금속전지는 음극재를 없애고 얇은 구리판 위에 리튬을 쌓아 무게와 부피를 크게 줄인 차세대 배터리지만 충·방전을 반복할수록 리튬이 울퉁불퉁하게 쌓여 전기가 통하지 않고 수명이 빠르게 줄어든다.
그동안 연구는 구리판 위에 코팅이나 구조물을 덧입히는 데 집중됐고 정작 리튬이 처음 닿는 구리판은 '전기가 흐르는 길' 정도로만 여겼다.
연구팀은 이 구리판에 주목했다. 구리 포일을 확대해 보면 원자가 한 방향으로 가지런히 쌓인 작은 조각들이 모자이크 타일처럼 맞물려 있다. 다만 조각마다 원자가 늘어선 방향이 제각각이어서 조각과 조각이 맞닿는 이음매에서는 배열이 어긋난다.
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| ▲ 구리 결정립계의 이동 장벽 유무에 따른 리튬 핵생성 및 성장 거동 모식도. [포스텍 제공] |
연구팀은 리튬의 고른 성장을 좌우하는 것이 결정립의 방향이 아니라 이 경계가 얼마나 많고 잘 맞물리는가라는 사실을 새롭게 밝혀냈다.
연구팀은 구리 포일을 열처리해 결정립 조각 크기를 조절했다. 온도를 높일수록 결정립은 커지고 경계는 줄었으며 남은 경계도 가지런해졌다.
구리 전체를 하나의 방향을 가지는 결정으로 만들 필요는 없었고 섭씨 850도 부근이 실용적인 최적 조건이었다.
효과는 뚜렷했다. 리튬을 도금해보니 경계가 어지러운 구리에서는 리튬이 한곳에 몰려 나뭇가지처럼 삐죽삐죽 자랐지만 경계를 정돈한 구리에서는 표면 전체에 평평하고 촘촘하게 쌓였다.
원자 단위 시뮬레이션 결과, 어지러운 경계는 높은 '과속방지턱'처럼 리튬을 한자리에 가뒀고 정돈된 경계는 턱이 낮아 리튬이 넓게 퍼질 수 있었다. 이 구리를 쓴 무음극 전지는 수명이 5배 이상 길어졌다.
이번 연구는 까다로운 단결정 공정 없이 열처리만으로 배터리 수명을 크게 늘릴 수 있음을 보여줬다. 전기차, 드론처럼 가볍고 오래가는 배터리가 필요한 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
이민아 교수는 "기존 연구에서 놓친 구리 집전체의 결정립계 특성을 체계적으로 밝혀 무음극 리튬금속전지의 수명 저하 문제를 근본적으로 해결했다"며 "고에너지밀도 리튬금속전지 실용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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