리튬금속전지 수명 늘리는 3차원 전극 설계 기술 개발

표면활성 구배형 전극에서 리튬저장 거동 및 전기화학 시뮬레이션
<표면활성 구배형 전극에서 리튬저장 거동 및 전기화학 시뮬레이션>

한국연구재단은 대구경북과학기술원(DGIST) 이종원 교수, 경희대학교 박민식 교수, 호주 울런공대학교 김정호 교수 공동연구팀이 차세대 리튬금속전지의 수명을 향상시킬 3차원 리튬저장체 설계 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
 
리튬금속전극은 높은 이론용량(3860 mAh/g)에도 불구하고 충·방전 과정에서 지속적으로 전극 주변에 나뭇가지 모양의 리튬결정이 형성되면서 극심한 부피변화가 발생, 결국 전극의 성능저하로 이어지는 것이 문제였다.
 

표면활성 구배형 전극에서 가역적인 충전(리튬증착) 및 방전(리튬탈착)
<표면활성 구배형 전극에서 가역적인 충전(리튬증착) 및 방전(리튬탈착)>

때문에 넓은 표면적의 다공성 구조체(기공 크기 : 수십 나노미터~수십 마이크로미터)에 리튬을 저장하는 방식으로 부피변화를 방지하려는 연구가 이어져 왔다.
 
하지만, 리튬이 의도한 기공 내부가 아닌 구조체 표면에 불균일하게 증착되는 것이 문제였다.
 
이에 연구팀은 전기화학 시뮬레이션을 통해 3차원 구조체에서의 가역적인 리튬저장 기작을 찾아내고, 충·방전 수명 특성을 향상시킬 수 있는 표면활성 구배형 전극설계 기술을 제시했다.

(왼쪽부터)대구경북과학기술원 이종원 교수, 경희대학교 박민식 교수, 호주 울런공대학교 김정호 교수 공동 연구팀
<(왼쪽부터)대구경북과학기술원 이종원 교수, 경희대학교 박민식 교수, 호주 울런공대학교 김정호 교수 공동 연구팀>

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 것이다.
 
그 결과 반복적인 충·방전 시에도 리튬 수지상 형성 및 부피 변화가 발생하지 않아, 장기간 안정적인 성능이 유지되는 것을 실험적으로 검증했다.
 
연구팀에서 제시한 소재 및 전극 디자인 개념은 기존 리튬이온전지 대비 높은 에너지밀도와 우수한 수명 특성을 갖는 고효율 리튬금속전지를 구현에 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

구교현 기자 kyo@greendaily.co.kr

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