[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 연구진이 배터리 내부 관찰을 통해 성능이 향상된 리튬금속전지를 개발했다. 

15일 한국연구재단에 따르면 배터리 실시간 이미징 전문가 이현욱 UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 교수팀은 싱가포르 A스타연구소(A*Star)와의 공동연구를 통해 배터리 실시간 이미징 기술을 개발, 리튬금속전지의 수명과 안정성을 향상시키는 데 성공했다. 

전기자동차, 에너지 저장 창고와 같은 새로운 응용분야에 사용하기 위해서는 고용량 전지 연구가 필요하다. 고용량 전지를 개발하기 위해 기본적으로 고용량을 지니는 양극 및 음극활물질이 필요하다. 

이런 연구 상황에서 리튬금속은 리튬이온전지의 에너지 용량을 끌어올릴 차세대 음극 물질로 주목받고 있다.

(그림 1) 실험의 개략도 : (a)실리콘을 리튬금속 위에 기상 증착을 하면 (b)전지를 충·방전했을 때 고르게 리튬 증착이 일어난다. (c)반면 일반적인 리튬금속은 불규칙적으로 결정이 성장해 전지의 성능을 저하시킨다. [자료=한국연구재단]

음극 물질 중에서 구동 전압도 가장 낮고 현재 상용화한 흑연 음극보다 용량이 10배 가량 우수하기 때문이다. 하지만 충‧방전 반응이 일어날 때 전극에 나뭇가지 모양으로 결정이 생겨 전지의 성능이 낮아지는 문제가 있었다. 

연구팀은 문제해결을 위해 리튬금속 표면에 실리콘을 코팅해서 나뭇가지 모양의 결정이 성장되지 않도록 제어했다. 그 결과 전지의 성능도 개선되고 수명도 더 길어졌다. 

(그림 2) 현미경을 통해 배터리 내부 관찰 : 배터리가 구동될 때 리튬금속 전극의 수지상 형성을 관찰한 결과, (e)일반 리튬금속 전극보다 (f)실리콘을 증착한 리튬금속 전극의 모양이 더욱 안정적이다. (a)전지의 성능과 (b)리튬금속의 불균일도에서도 실리콘을 증착한 경우에 더욱 안정적이다. [자료=한국연구재단]

특히 배터리가 구동할 때의 반응을 실시간으로 관찰, 개발된 리튬금속 전극이 어떤 원리로 성능이 개선되는지 시각적으로 입증했다. 

일반 리튬금속 음극은 수지상 결정이 분리막을 뚫고 전지를 단락시키는 반면, 실리콘 코팅된 리튬금속 음극은 수지상 결정이 없어 충전이 고르게 일어나고 부피팽창된 모양도 안정적이다. 

이 교수는 “이번 연구는 리튬금속 음극 물질의 거동과 부피팽창, 수지상 형성 현상을 이해하고 해결점을 제시한 것”이라며 “이렇게 직접 관찰한 결과를 실제 전지에 적용해 리튬금속전지 상용화에 기여할 수 있다”고 연구의 의의를 밝혔다. 

이번 연구결과(논문명 ‘Lithium Silicide Surface Enrichment: A Solution to Lithium Metal Battery’)는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 7월 6일자에 실렸다.

◆ 논문교신저자 이현욱 교수가 직접 전하는 연구 이야기

이현욱 GIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 교수 . 그는 배터리 실시간 이미징 전문가로 평가받는다. [사진=한국연구재단]

- 연구를 시작한 계기나 배경은?

▲리튬이차전지 음극활물질에 대한 연구를 하다가 리튬금속 음극에 대한 관심을 갖게 되었다. 예전에 실리콘 음극 연구를 하다가, 리튬과 실리콘이 반응하는 것을 생각해서 그 특징을 적용하면 어떨까라는 계기로 시작하게 되었다. 

- 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복했는지?

▲리튬금속이 공기 중에 반응하는 샘플이라 어떻게 공기 중에 안정하게 테스트를 하는지 고민이었다. 다양한 아이디어가 나왔고, 그러한 아이디어를 통해 극복할 수 있었다.

- 이번 성과, 무엇이 다른가?

▲고용량의 장점을 가지는 새로운 전극물질을 개발하는 점이 차이점이다. 특히 배터리가 구동될 때 그 내부를 직접적으로 관찰한다는 장점이 있어, 우리가 만든 물질이 어떻게 문제를 해결해주는지 직접 증명할 수 있다.

- 실용화한다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

▲현재 이차전지 연구 분야에서 리튬 금속에 대한 관심은 굉장히 높다. 실용화를 위해서 산학연 많은 기관에서 집중적으로 연구하고 있다. 실용화를 위해 리튬금속의 안정성이 확보되는 게 중요하다고 할 수 있다.

- 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

▲이차전지 내부를 관찰하는 연구에 집중하고 싶다. 실제 전지에서 일어나는 현상을 하나하나 규명하고자 한다. 

kimys@newspim.com