KAIST, 음극재 없는 고밀도 리튬이온전지 기술 제안

에너지 밀도 높인 음극 집전체 구조 개발…"리튬·전해액 부식 억제"

한국과학기술원(KAIST)은 김희탁 교수 연구팀이 음극재가 없는 고에너지 밀도의 리튬 이온전지 구동을 위한 음극 집전체 구조를 개발했다고 7일 밝혔다.

리튬이온전지의 음극은 배터리의 충전 속도와 수명을 결정하는 중요한 역할을 하지만, 전지 내에서 부피를 많이 차지한다.

음극 부품으로 오로지 음극 집전체만 사용한 ‘음극재 없는 리튬 전지'(Anode-free Li battery)는 음극 활물질을 저장하는 구리 집전체를 활용해 흑연 음극재를 없앰으로써 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다.

기존 리튬이온전지보다 60% 더 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있지만, 리튬이온이 흑연에 저장되지 않고 리튬 금속 형태로 음극에 저장될 경우 리튬의 손실이 발생해 충·방전 효율이 떨어지는 문제가 있다.

구리와 리튬 사이에 흐르는 미세한 전류 때문에 리튬 부식과 전해액 분해 현상도 일어난다.

김희탁 교수는 3차원 음극 집전체 표면의 일함수(고체에서 전자 한 개를 빼내는데 필요한 에너지)를 높여 리튬의 수지상(나뭇가지 모양의 결정) 성장을 억제하고, 표면에서 리튬과 전해액 부식을 억제할 수 있음을 확인했다.

전자가 집전체 표면에서 탈출하기 어려워져 환원 반응이 억제됨과 동시에 리튬 금속과 강하게 상호작용하면서 균일한 성장을 유도, 안정적으로 에너지를 저장할 수 있다.

이번에 개발한 집전체는 기존 구리 집전체보다 높은 성능을 낼 뿐만 아니라 극미량의 전해액만 존재하는 환경에서도 구동이 가능하다고 연구팀은 설명했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 지난달 20일 자 온라인판에 실렸다.

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