광주과학기술원(지스트)은 신소재공학부 엄광섭 교수팀이 현대자동차 배터리연구팀과 함께 고분자가 코팅된 삼차원 절연 구조체를 음극에 도입해 고에너지 리튬금속전지의 고질적인 부피팽창 문제를 해결하고, 충방전 내구성을 향상시키는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

음극 소재를 흑연에서 리튬 금속으로 대체한 리튬금속전지는 이론적으로 리튬이온전지보다 10배 높은 음극 용량을 구현할 수 있어 주목받고 있다.

하지만 리튬금속전지의 충·방전 중 리튬의 수지상 결정 성장이 일어나면서 분리막을 뚫고 전지의 단락(short circuit)을 일으키는 현상을 비롯해 리튬이 도금되면서 부피 팽창이 일어나 배터리가 부풀고 내부의 압력이 증가하는 등 안전성 및 내구성의 문제가 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

이 가운데 연구팀은 개발한 삼차원 고분자 구조체를 리튬금속 음극으로 활용한 결과, 기존의 구리 집전체 기반 리튬금속 음극보다 2배 이상의 에너지 밀도와 2배 정도의 수명을 갖는 리튬금속전지를 만드는 데 성공했다.

고분자 구조체를 활용한 연구팀의 NCM(니켈·코발트·망간) 양극 기반 리튬금속전지(고집적 NCM 양극)는 기존 리튬이온전지보다 두 배 이상 큰 최대 801 Wh/L의 방전 기준 에너지 밀도를 보였다.

기존보다 두 배 이상의 에너지를 저장할 수 있는 리튬금속전지를 전기차에 장착하면 주행거리 역시 크게 향상 될 수 있다는 의미다.

엄 교수는 "이번 연구 성과는 기존 리튬금속전지의 고질적인 문제인 충·방전 동안에 일어나는 불균형한 돌기 형성과 그로 인한 부피 팽창 문제를 해결할 수 있는 새로운 대안을 제시했다"면서 "향후 안정성이 보장된 고에너지 리튬금속 전지를 차세대 전기자동차에 이용할 수 있게 된다면 전기자동차의 1회 충전 주행거리를 크게 향상시킬 수 있을 것"이라고 밝혔다.

지스트 신소재공학부 엄 교수가 지도하고 조진현 박사과정생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 현대자동차 배터리연구팀과 공동으로 수행됐으며, 현대엔지비(NGV) 외에도 한국연구재단, 지스트 중앙기기연구센터(GAIA)의 지원을 받아 수행했다. 연구 성과는 세계적인 화학공학 분야 권위 학술지 '화학 공학 저널(Chemical Engineering Journal), JCR 상위 3.7%'에 2024년 6월 22일 온라인 게재됐다.

한경국기자 hkk42@mdilbo.com