광주과학기술원 연구진이 4배 더 오래 쓰는 리튬금속배터리 핵심기술을 개발했다.

광주과기원은 신소재공학부 엄광섭 교수팀이 구리 집전체의 전기화학적 전처리를 통해 리튬금속 전지의 용량 유지율 및 내구성을 대폭 향상시키는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

연구팀은 개발한 구리 집전체를 사용한 리튬 금속 음극을 사용한 결과, 기존 구리 집전체 대비 약 2.5배 높은 용량 유지율 및 4배 이상의 수명을 갖는 리튬금속 전지를 제조하는데 성공했다. 새로 개발한 구리 집전체를 사용한 음극은 120회 이상의 충·방전 후에도 70% 이상의 용량을 유지하는 등 안정적인 성능을 보였다. 특히 전기화학 처리가 전압 주사와 같은 간단한 전기적 신호 적용만으로 이루어지기 때문에 전극 제조공정을 단순화할 수 있게 된다.

연구팀은 유기 전해질 내에서 티오요산(Thiourea)의 리튬 질산염(LiNO3) 분해 촉매 효과를 최초로 규명했다. 이를 이용한 간단한 전기화학적 공정을 통해 리튬금속 전지 음극에 사용되는 구리 집전체 표면에 무기물이 풍부한 인공 고체막을 형성했다.

인공 고체막의 강한 물성과 이온 전도성에 의해 전지의 성능과 내구성을 떨어뜨리는 리튬 수지상 결정 성장이 억제되는 효과가 있었으며, 이는 리튬 질산염의 촉매적 분해로 생긴 다량의 무기물 때문임이 확인됐다.

엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 소량의 전해질 첨가제와 간단한 전기화학 표면처리로 리튬금속전지 음극용 집전체로 사용할 수 있는 충분한 안정성을 확보했다는 데에 큰 의의가 있다”면서 “향후 고에너지 리튬금속전지를 장착한 전기자동차의 상용화에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

연구는 광주과기원 차세대에너지연구소와 현대자동차 NGV의 지원을 받아 수행했으며, 연구 성과는 재료 공학 분야 국제 저명 학술지인 ‘스몰(Small)’에 2023년 3월 22일자로 온라인 게재됐다. /황애란 기자

사진 왼쪽부터 신소재공학부 김수빈 박사과정생, 엄광섭 교수. /광주과기원 제공