단순한 공정으로 전극의 미세 구조와 화학적 구배 동시 설계
포스텍 연구팀이 전기차 화재의 주요 원인으로 지목되는 리튬금속 배터리의 폭발 위험을 줄이기 위해 새로운 전극 구조를 개발했다.
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| ▲ 포스텍 화학과·배터리공학과 박수진 교수. [포스텍 제공] |
포스텍은 화학과·배터리공학과 박수진 교수, 한동엽 박사, 배터리공학과 이가영 석사, 중앙대 에너지시스템공학부 문장혁 교수, 박성수 연구원 등 공동연구팀이 리튬금속 배터리 수명과 안전성을 동시에 높이는 3차원 다공성 구조체를 개발했다고 29일 밝혔다.
이번 연구 결과는 재료화학 분야 국제 학술지 중 하나인 '어드밴스드 머터리얼즈'에 게재됐다.
리튬금속 배터리는 한 번 충전으로 더 오래 가는 차세대 배터리로 주목받지만, 치명적 약점이 있다. 충전과 방전을 거듭하면 리튬이 뾰족한 바늘 모양으로 자라는 '가지돌기(덴드라이트)' 현상이 일어난다.
이 바늘이 배터리 내부를 뚫으면 단락(합선)이 일어나 폭발할 수 있다. 연구팀은 전극 내부에 구불구불하지 않은 곧은 통로를 만들고, 아래로 갈수록 리튬이 더 잘 달라붙도록 설계했다.
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| ▲ 중앙대 에너지시스템공학부 문장혁 교수. [포스텍 제공] |
연구팀은 물과 기름이 섞이지 않고 분리되는 원리를 활용한 '비용매 유도 상분리' 공정으로 이 구조를 구현했다. 고분자에 탄소나노튜브와 은 나노입자를 섞어 전기가 잘 통하게 만들고, 구리 기판 위에 은층을 입혀 리튬이 바닥부터 자라도록 유도했다.
그 결과 리튬이 아래에서 위로 차곡차곡 쌓이는 상향식 증착이 이뤄졌고, 위험한 가지돌기 발생이 완전히 억제됐다. 이 기술을 적용한 배터리는 무게 기준 398.1Wh/kg, 부피 기준 1516.8Wh/L의 높은 에너지 밀도도 달성했다.
현재 전기차에 주로 쓰이는 NCM811, LFP 양극재와 결합한 파우치형 전지에서도 적은 양의 전해액과 낮은 음극-양극 비율이라는 까다로운 상용 조건에서 우수한 성능을 보였다.
포스텍 박수진 교수는 "복잡한 공정 없이 전극 내부 이온 이동 통로와 리튬 쌓임 방식을 동시에 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시했다"며 "전극 내부의 '길'과 '방향'을 함께 설계하는 전략이 리튬금속전지 실용화의 전환점이 될 것"이라고 밝혔다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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