국내 연구진이 차세대 이차전지로 꼽히는 ‘리튬금속 이차전지’의 수명과 출력을 개선하는 기술 개발에 성공해 주목을 받고 있다.
군산대 화학과 이경구 교수팀은 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단(연구위원 곽경원 고려대 화학과 교수)과의 공동연구를 통해 리튬금속 이차전지의 수명 및 출력 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.
기존 리튬이온전지는 노트북·휴대폰 등의 전자 제품 등에 널리 사용되고 있으나, 저장 용량이 작고 수명이 짧아 전기자동차용 이차전지로 사용하기에는 한계가 분명했다.
이의 대안으로 리튬금속전지가 개발됐지만, 이 역시 충·방전을 거듭할수록 리튬금속 표면에 나뭇가지 모양의 수지상결정(dendrite)이 형성돼 전지의 수명이 짧아지고, 화재나 폭발 등에 취약하다는 약점을 지니고 있다.
이와 관련, 이경구 교수 연구팀은 두 개의 전해질 염(LiPO2F2과 LiTFSI)을 사용해 전지의 수명을 확보함은 물론 고성능의 출력을 낼 수 있는 기술을 순수 국내 연구로 개발했다.
연구팀은 리튬금속전지의 문제인 수지상결정 형성을 억제하기 위해 두 개의 전해질 염을 활용해 리튬금속 보호막을 제작하는 기술을 적용했다.
이와 함께 고농도 전해질의 한계였던 이온전도도는 전기자동차용 이차전지로 사용하기에 적합한 수준인 5mS/cm 이상을 보여 출력 성능 역시 높였다.
특히 연구팀은 이론 계산을 통해 두 종류의 전해 질염을 포함하는 전해질 내에 이온 간의 선택적 상호작용이 존재한다는 것도 밝혔으며 이 원리는 향후 리튬금속전지의 고성능화를 위한 전해질 설계에 기여할 전망이다.
이경구 교수 연구팀의 연구결과에 따른 리튬금속전지가 전기차용 이차전지로 상용화될 경우 전기자동차의 주행거리를 대폭 늘릴 수 있어 국내 자동차 제조사들 및 이차전지 제조사들에 큰 도움이 될 것으로 보인다.
한편 교육부 개인연구사업(지역대학우수과학자)과 과학기술정보통신부 기초연구사업(기초연구실) 지원으로 수행된 이번 연구결과는 에너지 분야 세계적 권위지인 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 표지 논문으로 선정되기도 했다.
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