KAIST 연구팀, 물 활용 차세대 리튬금속 전지 750% 수명 늘려

뉴스1

친환경 중공 나노섬유 리튬금속보호막 사용
300차례 충·방전에도 93.3% 용량 안정적 유지

물만을 사용한 친환경 전기방사 공정을 통한 중공 나노섬유 리튬 금속 보호막 제조 모식도.(KAIST 제공)/뉴스1

국내 연구진이 물을 사용해 기존 리튬금속 음극보다 수명을 약 750% 향상시키는 세계 최고 수준의 기술을 개발해 주목된다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 김일두 교수 연구진이 친환경 공법으로 제조한 중공 나노섬유를 리튬금속보호막으로 사용해 리튬의 성장을 안정화하고 차세대 ‘리튬금속전지’의 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다고 2일 밝혔다.

리튬 금속 표면에 보호막을 적용해 리튬금속과 전해액간의 계면을 인공적으로 조성하는 기존의 보호막 기술은 인체에 유해한 공정과 원가가 높은 재료를 필요로 하며 리튬금속음극의 수명을 높이는 데 한계가 있었다.

이에 연구팀은 ‘리튬이온 성장을 물리적·화학적 방법으로 제어할 수 있는 중공 나노섬유 보호막’을 제시했다.

이 보호막은 식물에서 추출한 친환경 고분자인 구아검을 주재료로 해 물 만을 사용한 친환경적인 전기방사 공법으로 제조했다.

이는 나노섬유 보호막을 적용해 전해액과 리튬 이온 간의 가역적인 화학 반응을 효과적으로 제어했고, 섬유 내부의 빈 공간을 활용해서 리튬이온이 금속 표면에 무작위로 쌓이는 것을 억제함으로써 리튬금속 표면과 전해액 사이의 계면 안정화를 동시에 달성했다.

이를 적용한 리튬금속 음극은 연구 결과, 기존 리튬금속 음극보다 수명이 약 750% 향상됐으며, 300차례의 반복적인 충·방전에도 약 93.3%의 용량을 안정적으로 유지하는 세계 최고 수준의 성능을 보였다.

연구진은 자연에서 얻어진 이 보호막이 흙에서 약 한 달 내에 완전히 분해됨을 입증, 보호막의 제조에서 폐기에 이르기까지 전 과정이 친환경적인 특성을 증명했다고 설명했다.

김일두 교수는 “물리적·화학적 보호막 기능을 모두 활용했기 때문에 더욱 효과적으로 리튬금속과 전해액 간의 가역적인 반응을 유도하고 수지상 결정 성장을 억제해 획기적인 수명 특성을 가진 리튬금속음극을 개발할 수 있었다”고 말했다.

이어 “급증하는 배터리 수요로 인해 배터리 제조와 폐기로 인한 환경부하 문제가 심각하게 대두되고 있는 상황에서 물만을 사용한 친환경적인 제조 방법과 자연 분해되는 특성은 차세대 친환경 배터리의 상용화에 큰 기여를 할 것”이라고 강조했다.

KAIST 신소재공학과 졸업생 이지영 박사(아주대 화학공학과 교수), 송현섭 박사(삼성전자)가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’에 지난 11월 21일 표지논문으로 게재됐다.