차세대 리튬금속전지 수명 750% 연장…비결은 '물'

KAIST, 아주대와 공동연구…나노섬유 리튬금속 보호막 개발

[대전=뉴시스] KAIST서 개발한 중공 나노섬유 보호막이 적용된 리튬금속전지 완전셀 성능.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내연구진이 물 만을 사용해 기존 리튬금속 음극보다 수명을 750% 가량 향상시킬 수 있는 보호막 기술을 확보했다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 김일두 교수팀이 아주대학교 화학공학과 이지영 교수와 협력해 친환경 공법으로 제조한 중공(hollow) 나노섬유를 리튬금속 보호막으로 사용, 리튬 성장을 안정화하고 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다고 2일 밝혔다.

리튬 금속표면에 보호막을 적용해 리튬금속과 전해액간의 계면을 인공적으로 조성하는 기존 보호막 기술은 인체에 유해한 공정과 원가가 높은 재료를 필요로 하며 리튬금속 음극의 수명을 높이는 데 한계가 있었다.
 
이번에 김일두 교수팀은 문제해결을 위해 리튬이온 성장을 물리·화학적 방법으로 제어할 수 있는 중공 나노섬유 보호막을 제시했다.
 
이 보호막은 식물에서 추출한 친환경 고분자인 구아검(Guar gum)을 주재료로 해 물 만을 사용한 친환경적인 전기방사 공법으로 제조됐다.

구아검은 구아콩에서 얻어낸 천연 고분자 화합물로 다량의 단당류로 이뤄진 구조를 갖고 있다. 단당류에 있는 산화관능기가 리튬이온과의 반응을 제어한다.

특히 나노섬유 보호막을 적용해 전해액과 리튬 이온 간 가역적인 화학반응을 효과적으로 제어했다.

 또 섬유 내부의 빈 공간을 활용해 리튬이온이 금속 표면에 무작위로 쌓이는 것을 억제, 리튬금속 표면과 전해액 사이의 계면 안정화를 동시에 달성했다.

검증 결과, 이 보호막을 적용한 리튬금속 음극은 기존 리튬금속 음극보다 수명이 약 750% 향상됐으며 300회의 반복적인 충·방전에도 약 93.3%의 용량을 안정적으로 유지해 세계 최고 수준의 성능으로 확인됐다.

이어 연구진은 자연에서 얻어진 이 보호막이 흙에서 약 한 달 내에 완전히 분해되는 것도 확인, 보호막의 제조에서 폐기에 이르기까지 전 과정이 환경친화적이란 점도 증명했다.

이번 연구 결과는 KAIST 신소재공학과 졸업생인 이지영 교수와 송현섭 박사(삼성전자)가 공동 제1 저자로 참여했으며 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난달 21일 36권 47호에 표지논문으로 선정됐다.

김일두 교수는 "물리·화학적 보호막 기능을 모두 활용했기 때문에 더 효과적으로 리튬금속과 전해액 간 가역적인 반응을 유도하고 수지상 결정성장을 억제해 획기적인 수명 특성을 갖는 리튬금속음극을 개발할 수 있었다"며 "차세대 친환경 배터리의 상용화에 큰 기여를 할 것이다"고 말했다.


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