화학연·서울대 공동연구, 리튬금속전지용 겔고분자전해질 첨가제 원천기술 개발
김동균 박사 "브론나이트라이드 새로운 응용 가능성 제시"···'에너지·환경과학'에 게재

국내 연구진이 차세대 이차전지 '리튬금속전지'의 성능과 안전성을 높이는 기술을 구현했다. 

한국화학연구원(원장 이규호)는 김동균 박사팀이 이종찬 서울대 화학생물공학부 교수 연구팀과 공동연구를 통해 리튬금속전지용 겔고분자전해질 첨가제 원천기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 

리튬이온전지는 노트북, 휴대폰 등 전자 제품에 널리 쓰이고 있으나 용량과 수명 문제로 전기자동차, 에너지저장시스템(ESS) 등 적용에 어려움이 있다. 이에 음극재를 흑연 대신 리튬 금속을 사용하는 리튬금속전지가 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 

그러나 리튬금속전지는 충·방전 과정에서 리튬금속 표면에 나뭇가지 형태 결정이 형성되는데 이는 리튬금속전지 수명을 단축시키고 화재나 폭발 등 안전 문제를 일으킬 수 있는 단점을 지녔다. 

이에 연구팀은 나뭇가지 형태의 결정이 성장하는 것을 억제하기 위해 기존 액체 전해질 대신 불소계 겔고분자전해질에 보론나이트라이드(BN)를 소량 첨가해 리튬금속전지의 수명과 안전성을 향상시켰다. 

연구팀은 BN을 2차원의 나노플레이크로 만들어 겔고분자전해질 내 고르게 분산해 첨가했으며 두 물질이 잘 섞일 수 있도록 BN 표면에 겔고분자전해질과 유사한 불소계 고분자 사실을 도입했다. 

리튬 결정 성장을 막기 위해 기존에 쓰이던 기술은 고체 전해질을 써서 리튬 결정이 뻗어나오는 것을 물리적으로 막고, 리튬 양이온이 이동하는 비율을 상대적으로 높이는 기술이었으나 이는 제조공정이 복잡하고 이온전도도가 낮아 성능이 떨어졌다. 

연구팀은 불소계 겔고분자 전해질에 BN을 0.5% 첨가하면 고체와 액체의 중간 정도 물성을 가지면서도 전해질의 특성을 단단하게 만들 수 있다고 설명했다. 이는 이온 전도도는 높지만 결정의 성장을 막지 못하는 액체 전해질의 단점을 보완할 수 있고 단단하긴 하지만 이온 전도도가 낮아 성능이 저하되는 것도 보완할 수 있다. 

김동균 박사는 "이번 연구로 브론나이트라이드의 새로운 응용 가능성을 제시했다"며 "나뭇가지 형태의 리튬 금속 결정 성장을 효과적으로 제어하는 이번 기술은 차세대 리튬금속전기 뿐만 아니라 리튬황전지, 리튬공기전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다. 

이번 연구 성과는 국제학술지 '에너지와 환경 사이언스(Energy & Environmental Science)' 지난달 호에 게재됐으며 뒷면 표지논문으로 선정됐다.

연구 성과가 게재된 '에너지와 환경 사이언스' 뒷면 표지. <자료=한국화학연구원 제공>
연구 성과가 게재된 '에너지와 환경 사이언스' 뒷면 표지. <자료=한국화학연구원 제공>
저작권자 © 헬로디디 무단전재 및 재배포 금지