리튬이온전지 성능 저하 막는 전극 설계기술 개발

연구재단 "표면활성 구배형 구조로 내부까지 리튬 저장"

한국연구재단은 대구경북과학기술원(DGIST) 이종원 교수, 경희대 박민식 교수, 호주 울런공대 김정호 교수 공동 연구팀이 리튬이온전지의 용량 한계를 극복할 전극 설계기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

리튬이온전지는 리튬이온이 음극과 양극을 이동하며 저장·방출되는 전지다.

대용량 에너지 저장 장치(ESS)나 전기자동차 등에 널리 사용되지만, 시간이 갈수록 음극 소재인 흑연의 리튬이온 저장 용량이 줄어드는 한계가 있다.

이 때문에 흑연 대신 에너지 밀도가 10배 이상 높은 리튬 금속을 음극재로 사용한 리튬금속 전지가 주목을 받고 있다.

하지만 충·방전 과정에서 전극 주변에 생기는 리튬 결정으로 인해 부피가 급격히 변하며 전극 성능이 떨어지는 문제가 발생한다.

부피 변화를 막기 위해 리튬 저장용 다공성 구조체를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 리튬이 기공 내부까지 침투하지 못하고 표면에 증착하는 것이 문제였다.

연구팀은 전기화학 시뮬레이션을 통해 전극 내부로 갈수록 표면활성이 증가하는 ‘표면활성 구배형’ 구조를 설계, 리튬이 내부까지 균일하게 저장될 수 있도록 유도했다.

실험 결과 표면활성 구배형 구조 전극은 거듭된 충·방전에도 수명이 떨어지지 않았고, 원래 용량을 유지할 수 있는 성질을 갖는 것으로 나타났다.

이종원 교수는 “높은 에너지 밀도와 수명을 갖는 차세대 리튬금속 전지 개발에 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스'(ACS Energy Letters) 지난 1일 자 온라인판에 실렸다.

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