[데일리한국 안희민 기자]현재 가장 많이 쓰이는 리튬이온전지(LIB)보다 부피와 무개당 에너지용량이 2~3배나 큰 리튬금속이온전지의 상용화 시기가 대폭 앞당겨졌다.

공기와 수분에 반응이 큰 리튬금속음극 표면에 코팅을 쉽고 간편하게 하는 기술과 새로운 보호막 물질 개발 또 이에 걸맞는 전해질을 개발한 공로로 KIST 조원일 과제책임자와 김문석 전문연구요원 논문이 세계적인 학술지인 ‘네이처 에너지(Nature Energy), IF(46.859), JCR 분야상위 0.515%’ 9월 25일자에 게재되며 10월호 온라인판 대형 히어로 표지논문으로 채택되는 개가를 올렸다.

KIST의 김문석 연구원이 1저자이며 조원일 책임연구원과 린든 아처 미국 코넬대 교수가 공동교신저자인 논문의 이름은 ‘Langmuir-Blodgett artificial solid-electrolyte interphases for practical lithium metal batteries’이다.

KIST 연구팀이 개발한 리튬금속이온전지는 현재 법용으로 쓰이는 리튬이온전지(LIB)의 에너지밀도를 2배 이상 상회하고 1200회 이상 충방전해도 성능의 80%를 유지하는 특징이 있다.

이러한 성과는 수분과 공기에 반응이 큰 리튬금속음극에 그래핀소재 기반의 보호막을 간편한 방법으로 코팅하고 여기에 걸맞는 전해질을 개발에 성공했기 때문에 가능했다.

이 전지에 쓰인 양극재가 LG화학이 공급한 니켈 순도 80% 이상인 고니켈계 NCM 양극소재이며 상용화 리튬이온 전지에 사용되는 양극인 점도 눈에 띤다.

지금까지 연구된 리튬금속음극보다 얇은 리튬금속음극에 두께가 작게는 수십 나노미터, 최대 수백 나노미터에 불과한 얇은 랭뮤어-블로짓 인공 고체 전해질 계면상(Langmuir-Blodgett Artificial Solid-Electrolyte Interphase)을 간편하고 저렴한 방법으로 코팅해 리튬금속이온전지 상용화에 근접했다는 평가를 받고 있다. 리튬금속음극에 적용된 랭뮤어-블로짓 인공 고체 전해질 계면상은 ‘기능화된 그래핀’으로 알려졌으며 이는 일반 대기 환경에서 쉽게 제작할 수 있는 것으로 알려졌다.

기능화된 그래핀을 리튬금속음극에 코팅한 이유는 리튬이 전해질을 통해 리튬금속에 도금이 일어날 때, 기능화된 그래핀이 안정하고 고른 리튬핵을 생성시켜 널리 알려져 있는 덴드라이트라고 불리는 수상돌기가 성장하지 않도록 하여 리튬금속이온전지의 효율과 수명을 향상시키기 때문이다.

연구팀은 이러한 기능화된 그래핀 코팅과 전해질 배합을 통해 1200회 이상 충·방전을 하더라도 초기 성능 대비 80%를 유지하고, 상용화된 리튬이온전지 수준으로 리튬금속의 양을 줄여도 200회 이상 충방전이 가능하다는 것을 확인했다.

이번 연구로 리튬이온전지가 지닌 에너지 저장능력의 한계를 넘어서는 고용량.장수명 전지의 제조가 가능해졌으며, 리튬금속-이온전지을 포함한 리튬-황전지, 리튬-공기전지 등 차세대 전지산업에 큰 기회를 가져올 것으로 기대된다.

조원일 과제책임자는 “이번 연구결과는 차세대 전지의 성능과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원천기술을 개발한 것”이라며, “드론, 자율주행차, 무인잠수정 등 무인이동체 산업을 비롯해 다양한 산업으로 파급될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

린든 아처 코넬대학 교수는 “이번 연구가 단순히 학문적 면에 그치지 않고 산업에서도 활용할 수가 있어 향후 리튬금속전지 개발에서 중요한 의미를 갖는다”고 전하였다.

김문석 전문연구요원은 “이번 연구를 통해 차세대 리튬금속전지의 개발과 상용화에 한 발짝 더 나아가는 전환점이 되기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과기정통부의 ‘무인이동체 미래선도 핵심기술개발사업’과 한국과학기술연구원(KIST)의‘미래원천기술연구‘의 지원을 받았다.참고 저널 : Nature Energy, DOI:10.1038/s41560-018-0237-6