한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 김일두 교수팀이 아주대 이지영 교수팀과 공동으로 물을 이용한 친환경 공법으로 리튬금속 보호막을 제조, 리튬이차전지의 수명을 획기적으로 높이는 데 성공했다고 2일 밝혔다.

리튬은 리튬이차전지의 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 현재 음극으로 가장 많이 쓰이는 소재는 흑연이지만, 에너지 밀도가 낮고 이론 용량이 적어 리튬 금속이 가장 이상적인 음극재로 꼽힌다. 다만 충전 과정에서 음극 표면에 생기는 덴드라이트(dendrite·수지상결정, 리튬이온이 음극 표면에 쌓이면서 나뭇가지 모양으로 성장하는 현상)로 인해 수명이 저하될 수 있으며 화재로 이어질 위험이 있다.

덴드라이트 성장을 억제하기 위해 리튬 금속 표면에 보호막을 입혀 리튬 금속과 전해액 간 계면을 만드는 보호막 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

연구팀은 값비싼 재료 없이도 리튬이온 성장을 물리적·화학적으로 제어할 수 있는 중공(中空) 구조의 나노섬유 보호막을 개발했다. 식물에서 추출한 천연 고분자 화합물인 구아검을 물에 녹인 뒤 전기방사(electron spinning) 기술을 이용, 수십 ㎚(나노미터·10억분의 1ｍ)∼수 ㎛(마이크로미터·100만분의 1ｍ) 굵기의 섬유를 실처럼 얇게 퍼뜨려 보호막을 제조했다.

구아검 단당류에 있는 산화 작용기가 리튬이온과 반응을 제어하는 역할을 하는데, 유기용매 없이 물에도 잘 녹기 때문에 친환경 공정으로 제조할 수 있다. 섬유 내부의 빈 곳은 리튬이온이 금속 표면에 무작위로 쌓이는 것을 막아 덴드라이트 형성을 억제하는 역할을 한다.

보호막을 입힌 리튬금속 음극은 기존 리튬 음극보다 수명이 7.5배 정도 향상됐으며, 300차례의 반복적인 충·방전에도 93.3%의 안정적인 성능을 유지했다. 보호막은 한 달 안에 흙에서 완전히 분해돼 제조에서 폐기에 이르기까지 전 과정이 친환경적임을 입증했다고 연구팀은 설명했다.

김일두 교수는 "급증하는 배터리 수요로 인해 배터리 제조와 폐기로 인한 환경 문제가 심각하게 대두되는 상황"이라며 "물만을 사용한 친환경적인 제조 방법과 자연 분해되는 특성은 차세대 친환경 배터리의 상용화에 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials) 지난달 21일 자 표지논문으로 실렸다.