알루미늄 합금, 초박막 인조보호막(MoS) 적용

차세대 전지시스템 ‘리튬금속전지’ 개발이 국내 연구진에 의해 다시 급물살을 타게 됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구단 조원일 박사팀이 리튬금속전지 상용화의 최대 걸림돌인 물리화학적 불안정성을 제거할 리튬-알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 전해질 시스템을 최적화해 기존에 개발된 리튬이온전지 대비 2배 이상 수명을 끌어올리는 데도 성공했다.

리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하는 전지이다. 리튬금속은 현재까지 파악된 음극물질 중 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있다. 또한 산화 환원 전위는 매우 낮아 경량화 및 대용량화가 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재로 기대를 모은 바 있다. 하지만 리튬금속 표면에서 발생하는 덴트라이트로 인해 전극 단락과 폭발 가능성이 제기되며 흑연 음극을 사용하는 리튬이온전지가 먼저 상용화됐다.
덴드라이트(dendrite)란 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정이다. 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다.

상용화 이후 지속적으로 기술개발이 이뤄져온 리튬이온전지는 최근 단위 무게당 에너지 밀도를 더 이상 높이기 어려운 한계점에 이른 것으로 평가되고 있다. 반면 전기자동차, 드론 등 다양한 분야에서 더욱 높은 성능의 고용량 전지가 요구되는 상황에 따라 전 세계적으로 리튬금속 음극의 전기화학적 안정성을 확보하기 위한 연구가 활발히 진행돼 왔다.

KIST 연구진은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄에서 문제 해결의 실마리를 찾았다. 기존의 순수 리튬금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어하는 한편, 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS ) 기반의 초박막 인조보호막을 형성해 전지 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴트라이트의 성장을 억제했다. 초박막 인조보호막은 KIST 조원일 박사가 개발한 인공 고체-전해질 계면상으로 이미 지난해 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사하며 성능과 안정성을 입증한 바 있다(※Nature Energy volume 3, 889-898, 2018).


이번 연구에서는 특히, 초박막 인조보호막의 실제 양산성 확보를 위해 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮추고, 복잡한 제조공정을 단순화 및 전지의 안정화에 연구력이 집중됐다.

KIST 조원일 박사는 “차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지를 필요로 하는 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템 등의 발전에 기여할 수 있게 되기를 기대한다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 지원 아래 KIST 주요사업과 무인이동체 미래선도 핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 「Science Advances」 (IF : 12.80, JCR 분야 상위 5.07%) 최신호에 게재됐다.

* (논문명) Enabling reversible redox reactions in electrochemical cells using LiAl intermetallic compound and MoS2 Langmuir-Blodgett artificial solid-electrolyte interphase

-(제1 저자) 한국과학기술연구원 김문석 연구원(現, 스탠포드대학교 박사과정)

-(교신저자) 한국과학기술연구원 에너지저장연구단 조원일 책임연구원

-(교신저자) 미국 코넬대 린든 아처 교수