[사이테크 플러스] "리튬전지 화재위험 감소기술 개발…반도체기술로 안정성 높여"
KIST 이중기 박사 "리튬금속 전지에 반도체 박막 코팅…리튬 덴드라이트 형성 차단"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 리튬이온 이차전지의 리튬전극 표면에 반도체 박막을 형성해 구조적 안전성을 높임으로써 화재나 폭발 사고 위험을 줄일 수 있는 원천기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST)은 27일 에너지저장연구단 이중기 박사 연구팀이 리튬금속 전극 표면에 반도체 박막을 형성, 전극 표면에 화재 원인이 되는 나뭇가지 형태(덴드라이트) 리튬금속이 생성되는 것을 원천적으로 차단하는 기술을 개발했다고 밝혔다.
리튬이온 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등에 널리 사용된다. 하지만 충·방전이 반복되면 전극 표면에서 리튬 이온과 전자가 만나 나뭇가지처럼 불규칙한 형태의 리튬금속 덴드라이트가 형성되면서 전극 부피가 팽창하고 전극과 전해질 간 반응으로 화재 위험이 커지며 전지 성능이 떨어지는 문제가 있다.
이런 문제를 극복하기 위해 전극의 안정성을 높이는 연구와 함께 현재 사용되는 리튬코발트산화물 전극이나 흑연 전극보다 이론적 충전용량이 10배 이상 큰 리튬금속 전극을 이용한 대용량 리튬이온전지를 개발하는 연구가 활발히 이뤄지고 있다.
연구팀은 탄소 원자 60개가 6각형과 5각형을 이루며 축구공 형태로 결합한 물질로, 전도성이 높은 반도체 소재인 풀러렌(C60)을 플라스마에 노출해 리튬금속 전극과 전해질 사이에 반도체 박막을 형성, 전극 표면에서 리튬금속 덴드라이트가 형성되지 않게 했다.
플라스마를 조절하면 리튬금속 표면에 생성되는 반도체 종류를 N형 또는 P형으로 조절할 수 있다.
특히 P형 반도체 박막을 만들면 리튬이온이 박막을 통과하지 못해 전극 표면에서 전자와 리튬이온이 만나지 못하기 때문에 리튬 덴드라이트가 형성되는 것을 원천적으로 막을 수 있다고 연구팀은 설명했다.
연구팀이 개발한 반도체 박막 리튬금속 전극은 리튬-리튬 대칭셀로 안정성을 실험한 결과, 일반 리튬금속 전극이 20회 충·방전 후 안정성이 파괴되는 극한 전기화학 환경에서 1천200회 충·방전 후에도 리튬 덴드라이트가 생성되지 않고 안정적으로 유지되는 것으로 확인됐다.
리튬코발트산화물 양극과 반도체 박막 리튬금속 전극을 이용해 안정성을 평가한 결과, 500회 충·방전 후 용량의 약 81%가 유지돼 약 52% 정도만 유지되는 일반 리튬금속 전극보다 성능이 약 60% 향상된 것으로 나타났다.
이중기 박사는 "고안전성 리튬금속 전극 개발 기술은 기존 리튬금속에서 발생하는 금속 덴드라이트 발생을 억제, 화재 위험이 없는 안전한 차세대 이차전지 개발을 위한 융합형 원천기술"이라며 "이 메커니즘을 현재 상용화돼 있는 리튬이온 이차전지 안정성 향상에도 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.
이 박사는 "반도체 박막 형성에 사용한 고가의 풀러렌이 대신 다른 저렴한 소재에 이 기술을 적용하는 후속 연구를 통해 재료와 공정 비용을 낮춰 상용화에 더 다가갈 예정"이라고 덧붙였다.
이 연구결과는 재료과학 국제학술지 'ACS 에너지 레터스'(ACS Energy Letters) 최신호에 게재됐다.
scitech@yna.co.kr
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