나노기술 및 정책 정보

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휴대전화부터 전기자동차에 이르기까지 배터리는 일상의 필수품이 됨. 전자제품은 휴대성을 위해 더 작고 가벼운 제품들이 선호되며, 이에 따라 배터리의 크기도 더 작고 가벼워져야 함. 하지만, 배터리의 무게가 줄어들고 작아질수록 저장할 수 있는 에너지는 줄어들게 됨.

GIST(광주과학기술원) 신소재공학부 엄광섭 교수 연구팀은 기존 리튬 이온 배터리 음극보다 3배 이상 가벼운 고용량 리튬 금속 음극을 개발해 ‘리튬 이온 배터리’의 중량과 부피를 획기적으로 줄이는데 성공함.

연구팀은 다공성 구조체의 합리적인 설계를 통해 리튬의 덴드라이트 형태의 성장을 억제하면서도 매우 작은 무게와 부피의 다공성 구조체에 더 많은 양의 리튬을 저장할 수 있는 재료를 개발함.

최근 리튬 이온 배터리의 음극(음극판과 리튬이온을 저장하는 음극활물질로 구성) 재료로 흔히 사용되고 있는 흑연보다 10배 이상 용량이 높은 리튬 금속을 음극 재료로 사용하려는 연구가 진행되고 있음. 하지만, 리튬 금속을 음극으로 사용하면 배터리의 충전 과정에서 덴드라이트라는 특수한 형태로 성장함. 이로 인해 전극의 부피가 팽창과 수축을 반복하고, 배터리의 수명이 급격히 짧아지며, 폭발의 위험성이 야기되기도 함.

이런 문제점을 해결하기 위해 다공성 구조체 내부 기공에 리튬 금속을 저장하는 방법이 있으며, 다른 연구들과 비교해 전극의 반복적인 부피 변화를 방지한다는 유일무이한 장점을 가짐.

하지만 다공성 구조체 내부에 리튬을 저장하려는 기존의 연구에서는 에너지 저장에 직접적으로 기여하지 않는 다공성 구조체 자체의 무게와 부피가 너무 크기 때문에 배터리의 실질적인 에너지 저장량을 저하시키는 현상을 보여옴. 또한, 다공성 구조체 내부에 이온이 전달되는 속도가 느려서 리튬의 저장이 구조체의 내부가 아닌 표면에 집중되는 문제점 또한 보고된 바 있음.

연구팀은 이런 문제점에 착안해 리튬이 구조체 내부에 안정적으로 저장될 수 있으면서도 구조체의 무게와 부피를 획기적으로 줄일 수 있도록 기공률, 기공경, 그리고 전극의 두께나 면적을 자유롭게 제어할 수 있는 전극의 제작 방법을 고안함.

90% 이상의 기공률을 갖도록 제작한 다공성 전극은 풍부한 기공을 가지고 있어 기존 연구와 비교해 같은 무게와 부피에 더 많은 리튬을 저장할 수 있음. 또한 나노입자로 구성된 전극은 리튬과 높은 친화성을 갖는 결정면이 표면에 풍부하게 노출돼 있고 기공경 또한 수백 나노미터로 큼. 따라서, 리튬 이온이 기공 내부로 침투해 성장하기 쉽고, 다공성 구조체의 내부에 리튬을 성공적으로 저장할 수 있었음.

연구팀은 다공성 구조체를 리튬코발트산화물 양극과 결합해 455 W h kg-1의 중량당 에너지 저장량과 904 W h kg-1의 부피당 에너지 저장량을 갖는 리튬이온배터리를 구현했고, 이는 기존 리튬이온배터리의 약 1.5배에 달하는 성능임.

엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 리튬 금속을 음극의 기초적인 전극 설계 방법과 재료 설계 방법을 확립함으로써 배터리의 실질적인 에너지 저장량을 향상시킬 수 있는 기술을 확보한 것이다”면서, “후속 연구를 통해 여러 종류의 양극 재료에 적용하는 연구를 진행해 배터리의 고질적인 문제였던 낮은 에너지 저장량을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다”고 말함.