[기계신문] 이차전지는 이제 노트북, 휴대폰과 같은 전자기기를 넘어, 전기자동차를 비롯하여 에너지 저장창고에도 응용 가능할 정도로 다양한 산업에 이용되고 있다.

특히 리튬이차전지는 타 이차전지(납축전지, 니켈수소전지 등)보다 높은 전압, 용량, 안정된 수명의 장점으로 많이 활용되고 있다. 또한 다양한 에너지 저장 수요에 대해 충족하는 성과를 거둔 전지 중 하나이다.

전기자동차, 에너지 저장창고와 같은 새로운 응용분야에 사용되기 위해서 고용량 전지 연구가 필요하다. 이러한 고용량 전지를 개발하기 위해서는 기본적으로 고용량을 지니는 양극 및 음극 활물질이 필요하다.

이에 고용량 양극활물질로 황 물질 연구를 세계적으로 진행하고 있고, 실리콘 혹은 리튬 메탈 음극활물질 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 리튬 메탈 음극활물질은 구동 전압이 음극으로써 가장 낮다라는 장점이 있어, 전지에 가장 이상적인 음극활물질로 알려져 있다.

또한 용량 역시 현재 상용화되고 있는 흑연 음극에 비해 10배 가량 높다는 장점이 있어, 고용량 전지 개발 후보군으로 가장 알려져 있다. 그러나 리튬 메탈이 가지고 있는 기본적인 한계인 수지상 형성, 불안정한 SEI 층 형성, 낮은 쿨롱효율 등으로 인해 리튬 메탈 음극은 실제 전지에 이용되지 못했다.

이 가운데, 최근 배터리 실시간 이미징 전문가인 울산과학기술원 이현욱 교수 연구팀이 싱가포르 A 스타 연구소(A*Star)와의 공동연구를 통해 리튬금속전지의 수명과 안정성을 향상시켰다고 밝혀 눈길을 끈다.

연구팀은 리튬 메탈 음극 표면에 실리콘을 기상증착하여 LixSi 층을 구성하였다. 일반적인 리튬 메탈 음극 표면은 전지의 충·방전시 리튬이 수지상으로 형성되어, 분리막을 뚫고 전지를 단락시키게 된다.

▲ 실험의 개략도 (a) 실리콘을 리튬금속 위에 기상 증착을 하면 (b) 전지를 충·방전했을 때 고르게 리튬 증착이 일어난다. (c) 반면 일반적인 리튬금속은 불규칙적으로 결정이 성장해 전지의 성능을 저하시킨다.

그러나 이 연구에서 제작한 LixSi가 코팅된 리튬 메탈의 경우는 LixSi 층이 고르게 충전되기 때문에, 수지상이 형성되지 않고 전체적으로 고르게 충전 반응이 일어난다.

특히 LixSi가 코팅된 층이 어떻게 부피팽창을 하는지 그 현상을 분석하기 위해 실시간 이미징 분석법을 이용하였다. 전지가 구동되는 시점에서 동시에 리튬 메탈 음극이 어떻게 충전되고 어떻게 단락을 일으키는지에 대해 직접 관찰했다.

▲ 현미경을 통한 배터리 내부 관찰 모습 : 배터리가 구동될 때 리튬금속 전극의 수지상 형성을 관찰한 결과, (e) 일반 리튬금속 전극보다 (f) 실리콘을 증착한 리튬금속 전극의 모양이 더욱 안정적이다. (a) 전지의 성능과 (b) 리튬금속의 불균일도에서도 실리콘을 증착한 경우에 더욱 안정적이다.

이현욱 교수는 “이번 연구는 리튬금속 음극 물질의 거동, 부피팽창 및 수지상 형성 현상을 이해하고 그 해결점을 제시한 것”이라며 “이렇게 직접 관찰한 결과를 실제 전지에 적용해 리튬금속전지 상용화에 기여할 수 있다”고 설명했다.

한편, 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(신진연구)의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 7월 6일에 게재됐다.