에너지·환경 분야 최고 권위지 “Energy & Environmental Science”의 뒷면 표지논문으로 선정
한국화학연구원은 서울대학교 화학생물공학부의 이종찬 교수 연구팀과의 공동연구로 차세대 리튬금속전지의 성능 및 안전성을 모두 확보할 수 있는 겔고분자전해질 첨가제 원천기술을 개발했다고 18일 밝혔다.
리튬이온전지는 노트북, 휴대폰 등의 전자 제품에 널리 쓰이고 있으나, 용량과 수명 문제로 전기자동차, 에너지저장시스템(ESS) 등의 적용에 어려움이 있다.
이에 음극재에 흑연 대신 리튬 금속을 사용**하는 리튬금속전지가 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 이차전지 중 하나로 주목받고 있다.
에너지저장시스템은 발전 전력량이 사용량 대비 여유가 있을 때 전지 등에 저장해뒀다가 추후 필요할 때 공급하는 시스템이다.
ESS는 에너지 이용효율 향상, 신·재생에너지 활용도 제고 및 전력공급시스템 안정화에 기여할 수 있다.
그러나 리튬금속전지는 충·방전 과정에서 리튬금속 표면에 나뭇가지 형태의 결정이 형성되는데 이는 리튬금속전지의 수명을 단축시키고 내부단락을 일으켜 화재나 폭발 등 안전 문제를 야기할 수 있어 상용화에 걸림돌로 작용해왔다.
내부단락은 전위차를 갖는 회로 상의 두 부분(리튬전지의 경우, 음극과 양극)이 전기적으로 접촉되는 현상을 말한다.
이 때 접점에서 과량의 전류가 흐르고 열이 발생하여 심한 경우 화재나 폭발이 일어나기도 한다.
화학(연) 김동균 박사 연구팀과 서울대 이종찬 교수 연구팀은 나뭇가지 형태의 결정이 성장하는 것을 억제하기 위해 전지의 전해질과 관련된 새로운 기술을 개발했다.
기존 액체 전해질 대신, 불소계 겔고분자전해질에 보론나이트라이드를 소량(0.5%) 첨가해 리튬금속전지의 수명과 안전성을 크게 향상시켰다.
겔고분자전해질은 고분자 매트릭스 내 액체 전해액이 함침되어있는 겔 상태의 전해질로, 액체 상태의 전해질과 달리 전해액 누액에 따른 배터리 손상 문제가 없으며, 별도의 분리막을 사용할 필요가 없다.
보론나이트라이드은 붕소(B)와 질소(N)가 안정된 공유결합으로 결합돼 육각형(Hexagonal) 구조의 판상 형태를 가진 물질이다.
우수한 전기 절연성, 열적·기계적 안정성 및 열전도성으로 인해 전자, 에너지, 우주·원자력, 및 바이오-메디칼 등 다양한 산업분야에서 응용연구가 진행되고 있으나, 리튬메탈전지용 겔고분자전해질 첨가제로의 응용은 제시된 바가 없었다.
연구팀은 보론나이트라이드를 2차원의 나노플레이크로 만들어 겔고분자전해질 내에 고르게 분산해 첨가했으며 두 물질이 잘 섞일 수 있도록 보론나이트라이드 표면에 겔고분자전해질과 유사한 불소계 고분자 사슬을 도입하였다.
이번 연구 성과는 에너지·환경 분야 최고 권위지인 ‘Energy & Environmental Science’의 9월호에 게재됐으며, 뒷면 표지논문으로 선정됐다.
리튬 결정 성장을 막기 위해 기존에 쓰이던 기술은 고체 전해질을 써서 리튬 결정이 뻗어나오는 것을 물리적으로 막고, 리튬 양이온이 이동하는 비율을 상대적으로 높이는* 기술이다. 그러나 이 기술은 제조공정이 복잡하고 이온전도도가 낮아 성능이 저하된다는 단점이 있었다.
전해질에 전류를 통하면 리튬 염(salt)의 음이온은 양극으로 양이온은 음극으로 이동하고, 두 이온 공동으로 전기를 운반한다.
이때 각 리튬 양이온이 전기를 운반하는 분담 비율을 리튬이온운반율이라 부르며, 이론적으로 이 값이 클수록 리튬금속 결정 억제 효과가 있다.
전세계적으로 이러한 단점을 극복하기 위한 여러 연구가 진행되었으나, 불소계 겔고분자 전해질에 보론나이트라이드를 첨가하는 기술은 본 연구팀이 최초다.
불소계 겔고분자 전해질에 보론나이트라이드를 0.5% 첨가하면 고체와 액체의 중간 정도의 물성을 가지면서도 전해질의 특성을 단단하게 만들 수 있다. 따라서 이온 전도도는 높지만 결정의 성장을 막지 못하는 액체 전해질의 단점을 보완할 수 있고, 단단하긴 하지만 이온 전도도가 낮아 성능이 저하되는 고체 전해질의 단점 또한 보완할 수 있다.
화학(연) 김동균 박사는 "이 연구를 통해 보론나이트라이드의 새로운 응용 가능성을 제시했으며, 특히 나뭇가지 형태의 리튬 금속 결정 성장을 효과적으로 제어하는 본 기술은 차세대 리튬금속전지 뿐만 아니라 리튬황전지, 리튬공기전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.
홍서윤 기자 classic@cctoday.co.kr