리튬금속이온전지, 전해질 맞춤 리튬보호막 소재와 리튬 코팅기술, 적합한 양극재 연구
[데일리한국 안희민 기자]차세대 전지로 불리는 차세대 전지 연구가 활발히 진행되고 있다. 차세대 전지는 리튬금속이온전지와 리튬황전지, 리튬공기전지를 말한다. 현재 가장 많이 쓰는 리튬이온전지와 다른 물적 특성을 갖고 있어 상용화를 위해 해결해야할 난제가 많다. 연구에 매진하고 있는 김문석 KIST 전문연구원을 19일 인터뷰했다. <편집자주>
“리튬금속이온전지, 리튬설퍼, 리튬에어전지에 리튬금속이 공통으로 음극에 적용됩니다. 양극재를 황으로 제작한 것이 리튬황전지이며 산소를 사용하면 리튬공기전지가 됩니다.”
김 전문연구원은 리튬금속전지로 통칭되는 차세대 전지의 분류를 간결히 설명했다. 그에 따르면 리튬금속이온전지는 차세대 전지인 리튬금속전지의 한 가지다. 리튬금속이온전지, 리튬황전지, 리튬공기전지는 서로 다르지만 음극을 리튬금속을 쓴다는 점이 같다. 그가 주목한 것은 이 가운데 리튬금속이온전지와 리튬황전지다.
이들 전지에서 가장 중요한 것이 전해질이다. 전해질은 리튬이온이 오고 가게 해주는 매개체다. 전지의 특성에 맞게 전해질도 맞춤형으로 제작해야 성능을 향상시킬 수 있는데 특히 리튬금속이온전지에서 리튬황전지보다 전해질이 중요하다.
그는 “리튬금속이온전지에 있어 전해질은 리튬황전지보다 퍼포먼스의 영향이 더 크다. 이유는 리튬금속이온전지가 작동하는 전압이 리튬황전지보다 높고 사용되는 전해질의 용매가 리튬금속 음극에 적합하지 않기 때문이다. 따라서, 전해질을 형성하는 용매와 염들의 조합이 다르다. 같은 리튬 음극을 사용하지만, 두 전지 시스템에서 다른 계열의 전해질을 사용한다”고 설명했다.
그에 따르면 리튬황전지에서 에테르 계열의 전해질이 많이 사용되며 이는 리튬 음극에 적합하지만 황 양극 물질의 전기화학적 불안정성으로 인해 여전히 부반응이 많이 일어나 전해질에 대한 연구가 필요하다.
리튬금속이온전지는, 특히 NCM/NCA 계열의 양극을 사용할 시, 전해질의 용매가 카보네이트 계열로 고정돼 있으며 이는 에테르 계열의 용매보다 리튬금속 음극에 있어 적합하지 않지만, 대신 염들과 첨가제를 잘 배합해 전해질 형상(formulation)을 바꿔야한다.
그는 “리튬황은 염과 첨가재의 선정이 잘돼 있는 한편 어떤 용매가가 과연 효과적인지에 대한 고민이 있다. 리튬금속이온전지는 가장 유력한 용매가 있지만 대신 염과 첨가제 대해 고민이 많다”고 전했다.
그는 전해질이 전지시스템에서 가장 큰 고민이라고 전했다. 각각 시스템에 적합한 전해질 개발이 필요하다고 설명했다.
그에 따르면 리튬이온전지에서 리튬이온은 음극과 양극 호스트를 통해 저장이 가능한데, 리튬금속이온전지에선 호스트가 없는 환경에서 리튬이 이온화됐다 환원된다. 리튬이 도금되는 원리와 같다.
이때 SEI (solid electrolyte interphase)가 생기는데 어떤 조건에서 어떤 전해질을 사용하고 어떤 전류밀도를 가하면 어떤 SEI가 생기는지 실험하기 전까진 미리 알기가 매우 힘들다.
전해질 용매, 염 그리고 첨가제에 따라 SEI의 유형이 달라지는데 주어진 전류밀도에서 전극 표면에 형성되는 SEI의 성질이 전해질에 따라 크게 의존되기 때문에 우선적으로 전지시스템에 최적한 전해질을 골라야한다.
리튬금속 표면을 보호하는 연구에 있어서도 어떠한 전해질 시스템의 기준으로 개발을 하는지가 가장 중요한 부분이라고 그는 전했다.
그는 “어떤 물질이 단지 도금되는 일은 간단한 것이지만 화학적 반응성이 높은 물질을 반복적으로 균일한 도금과 안정한 용해가 이뤄지게 하는 것은 어려운일이며 주어진 조건에 따라 도금/용해 되는 표면 형상이 달라진다. 이런 형상에 따라 SEI의 진화와 전지 특성이 달라진다”고 말했다.
그에 따르면 실질적으로 전지가 구동될 때 많은 요소들이 한꺼번에 달라진다. 충방전 전류밀도, 전해질 부식도, 환경 온도 등이 달라짐에 따라 리튬금속음극의 성능이 일정하지 않기 때문이다.
그렇기 때문에 리튬금속전지를 100개 만들었을 때 100개 모두 성능이 균일하다고 확신할 수 없고 불규칙한 구동조건에서 얼마나 안정히 작동하는지에 따른 연구 결과도 필요하다. 따라서 관련 데이터를 경우의 수만큼 수집하고 체계적으로 정리하는 일엔 시간과 노력, 비용이 많이 든다.
차세대 전지 개발이 어렵지만 전지의 용도가 점차 확대되고 그에 따라 요구성능이 확대되기 때문에 현재 리튬이온전지를 뛰어넘는 리튬금속전지의 연구가 필요하다.
그에 따르면 리튬이온전지는 에너지밀도가 이론치에 도달했다. 에너지밀도는 보통 구동 전압(Voltage) 올리는 방법으로 향상시키는데 전압은 전해질에 제약을 받는다.
문제는 카보네이트 계열 전해질을 사용하는 리튬이온전지는 전압이 4.5V까지 올라가면 부식을 일으킨다. 높은 전압을 감당하는 캐소드가 있지만 전해질, 특히 액체 전해질,은 없다. 전압을 8V까지 올려야하기 때문에 전해질 연구가 더욱 중요하다. 그는 돌파구로 음극재 그라파이트 대신 리튬금속이 이용된 음극재를 선호했다.
그는 “음극재를 그라파이트를 쓰지 않고 리튬금속을 사용하면 리튬이온전지에 비해 무개당 에너지밀도는 2배 부피적 에너지 밀도는 3배 정도를 높일 수 있으며, 높은 부피적 에너지밀도는 EV에 있어 가장 중요한 부분이기 때문이다.
작동 전압을 높여 전지의 에너지밀도를 개선하는 것이 아니라 현존과 다른 전기화학적 반응을 가지며 가볍고 부피가 작은 물질을 음극으로 사용하여 전지의 전체적 에너지밀도를 높인다”고 말했다.
이 방법은 차세대 리튬금속전지의 상용화 시기를 앞당길 수 있다. 분리막, 캐소드를 리튬이온전지에서 사용했던 것을 이용하면 되기 때문이다.
그는 리튬금속을 음극재로 사용하며 리튬금속 보호를 위한 보호막 연구에도 착수했다. 전해질이 바뀜에 따라 맞춤형 재료들이 필요하기 때문이다.
그는 “폭발 등 위험성 때문에 흑연 계열 음극재를 사용했지만 나노물질, 분석기술이 향상돼 다시 리튬금속을 음극재로 활용한 리튬금속전지를 개발하자는 것이 최근의 추세”라며 “전해질, SEI, 리튬금속 보호막 연구가 진행되고 있다”고 전했다.
그는 리튬금속이온전지의 크기에도 신경을 써 현재 연구자들이 많이 하는 코인셀 형태를 탈피해 손바닥만한 파우치 크기의 리튬금속이온전지 개발을 진행하고 있다. 이 연구 과정에서 라지 스케일의 공정과정도 연구했다.
그는 “코인셀 크기가 아닌 손바닥만한 파우치 크기로 리튬금속이온전지를 제작하려고 노력하고 있다"며 "제일 먼저 보호막을 만드는 기술, 합당한 전해질, 이 전해질을 사용하고 코팅기술을 사용했을 때 합당한 물질을 탐구하는 것으로 연구를 진행하고 있다”고 말했다.