국내 연구진이 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 10배가량 더 높은 차세대 2차전지인 ‘리튬금속전지’ 개발을 앞당기고 있다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구단 조원일 박사팀이 리튬금속전지 상용화에서 최대 걸림돌인 물리화학적 불안정성을 없애는 리튬-알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발했다고 17일 밝혔다. 또 연구팀은 전해질 시스템을 최적화해 기존 리튬이온전지보다 2배 이상 수명을 끌어올리는 데도 성공했다.

리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 이차전지다. 리튬금속은 현재까지 파악된 음극물질 중 최상급 에너지 밀도를 갖고 있다. 또 산화환원 전위가 매우 낮아 가볍고 큰 용량이 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재로 기대를 모으고 있다. 하지만 리튬금속 표면에서 발생하는 비정상적인 결정으로 인해 전극 단락과 폭발 가능성이 제기되며, 흑연 음극을 사용하는 리튬이온전지가 먼저 상용화됐다.현재 리튬이온전지는 에너지 밀도를 더 높이기 어려운 한계점에 이른 것으로 평가되고 있다. 반면 전기자동차와 드론 등 다양한 분야에서 고용량 전지를 필요로 하고 있다.

KIST 연구진은 알루미늄으로 문제 해결의 실마리를 찾았다. 기존 리튬금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어했다. 또 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS2) 기반의 초박막 인조보호막을 만들어 전지 용량과 수명을 급격하게 떨어뜨리는 비정상적인 결정 생성도 막았다. 초박막 인조보호막은 KIST 조원일 박사가 개발한 인공 고체-전해질 계면상으로 지난해 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사하며 성능과 안정성을 입증했다.

연구팀은 상용화에 적합하도록 초박막 인조보호막의 생산성을 확보하고자 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮추고, 복잡한 제조공정을 단순화하며, 전지 안정화에 집중했다.

KIST 조원일 박사는 “리튬이온전지의 용량 한계에 따라 리튬금속전지가 필요해지고 있다”면서 “리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지를 필요로 하는 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템(ESS) 발전에 기여할 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.

이 연구결과는 ‘사이언스 어드번스’(Science Advances) 최신호에 게재됐다.

박응서 테크엠 기자   gopoong@techm.kr