식물에서 추출한 원료와 물을 사용한 리튬배터리 전극 보호막이 개발됐다. 해당 보호막은 저렴한 원료와 친환경적인 공정을 사용하면서도 리튬금속 음극의 수명을 기존보다 750% 향상시켰다.
김일두 한국과학기술원(KAIST, 카이스트) 신소재공학과 교수 연구진은 이지영 아주대 교수와 협력해 친환경 공법으로 제조한 중공 나노섬유 리튬금속 보호막을 개발했다고 2일 밝혔다.
리튬금속은 상용 배터리의 음극보다 높은 용량을 지녀 차세대 음극으로 주목 받는다. 다만 충·방전을 거듭하면서 표면에 무작위로 쌓이는 금속(덴드라이트)으로 인해 배터리 수명이 단축되고 화재 위험이 높아지는 문제가 있다.
이를 막기 위해 리튬금속 표면과 전해액간 계면을 인공적으로 조성하는 보호막 기술이 있지만 공정이 인체에 유해하고 재료 원가가 높아 리튬금속 음극의 수명을 높이는 데 한계가 있어 왔다.
김일두 교수 연구진은 이를 해결하기 위해 ‘리튬이온 성장을 물리적·화학적으로 제어할 수 있는 중공 나노섬유 보호막’을 제시했다. 해당 보호막은 식물에서 추출한 친환경 고부자인 구아검이 주재료다. 물을 사용한 전기방사 공법으로 제조됐기 때문에 흙에서 한달 내 완전히 분해된다.
연구 결과 나노 섬유 보호막은 전해액과 리튬 이온 간의 화학 반응을 효과적으로 제어했다. 또한 섬유 내부 빈 공간으로 리튬 이온이 금속 표면에 쌓이는 것을 억제해 계면 안정화를 이뤘다. 실제 배터리에 적용해 충·방전을 300회 진행한 결과 수명은 750% 향상됐고 용량은 93.3% 수준을 유지했다. 물리적, 화학적 방법으로 이중 제어를 하는 셈이다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 11월 21일 36권 47호 표지논문으로 선정됐다.
김일두 교수는 “물리적·화학적 보호막 기능을 모두 활용했기 때문에 더욱 효과적으로 리튬금속과 전해액 간 가역 반응을 유도하고 수지상 결정 성장을 억제해 획기적인 수명 특성을 가진 리튬금속 음극을 개발할 수 있었다”고 말했다.
그는 이어 “급증하는 배터리 수요로 인해 배터리 제조와 폐기로 인한 환경부하 문제가 심각한 상황에서 물만을 사용한 친환경적인 제조 방법과 자연 분해되는 특성은 차세대 친환경 배터리 상용화에 큰 기여하겠다”고 말했다.
김홍찬 기자 hongchan@chosunbiz.com
댓글0