[기계신문] 최근 상용 리튬이온전지(LiB) 기술의 전개가 LiB의 전기화학적 성능의 점진적 개선만이 보고되는 포화 상태에 이르렀다. 따라서 고에너지 밀도를 갖는 리튬금속(LiM) 음극과 기존 리튬이온전지에 사용하는 고에너지밀도 소재를 양극으로 사용하는 이차전지가 LiB를 이을 차세대 전지로 주목받고 있다.

음극 소재 중 하나인 리튬금속은 3,842mAh/g의 높은 이론 에너지 밀도와 함께 매우 낮은 산화환원전위 및 0.59g/㎤의 밀도를 갖는 반면, 흑연 음극 재료는 372mAh/g의 이론 에너지 밀도와 리튬금속 음극에 비해 높은 산화환원전위와 밀도를 갖는다.

따라서 흑연 음극을 리튬 음극으로 바꿀 경우, 기존 LiB의 무게당 에너지 밀도를 크게 할 수 있다. 기존 리튬이온전지 양극과 LiM 음극을 사용하는 리튬-금속 전지가 상용화된다면, 멀지 않아 높은 에너지 밀도 요구를 충족하는 새로운 이차전지를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

LiB의 흑연 음극을 리튬금속 음극으로 대체하는 이점은 최근의 문헌에서 자세히 검토되었다. 이 대체에 따른 단위 부피 또는 단위 질량 당 에너지저장 용량의 실질적 향상은 리튬금속 음극의 개발에서 가장 중요한 관심사 중 하나다. 리튬금속 음극을 사용하는 이차전지는 리튬의 삽입/탈리 반응을 하지 않는 양극도 선택할 수 있기 때문에 유리하다.

그러나 리튬의 높은 화학적 반응성과 관련된 본질적인 문제로 거의 모든 전해질과 접촉 시 자발적으로 불안정한 고체-전해질 계면을 형성하고, 전지 재충전 시 리튬 전착의 형태를 제어하기가 대단히 어려워 리튬금속 전지를 실제로 구현함에 있어서 많은 어려움을 겪고 있다. 특히, 리튬금속 음극은 전기화학적 반응성이 높기 때문에, 낮은 쿨롱 효율로 충전과 방전이 계속되면 전해질과 리튬이 빠르게 소모되어 전지의 수명은 더욱 짧아진다.

더불어 전해질과 리튬 음극의 부반응으로 생성된 불안정한 고체-전해질 계면상(SEI)은 리튬 음극 표면에 리튬 수지상 성장을 유도하여 전지의 사이클 수명과 안전성을 저해한다. 양극 표면에서의 전해질 산화 또한 양극-전해질 계면(CEI) 생성으로 이어지고, 높은 전압에서 전해질이 지속적인 산화가 일어나는 불안정성 때문에, 전지 수명 특성이 악화되어 전지개발이 쉽지 않다.

이러한 문제점 해결을 위해 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 조원일 박사팀은 리튬금속 음극 표면에 랭뮤어-블로짓 방법을 이용하여 이황화 몰리브덴 인공 고체-전해질 계면상(artificial solid-electrolyte interphase, ASEI)을 적용함과 동시에 리튬-알루미늄 합금을 사용한 전지를 개발했다. 또, 리튬금속 음극의 가역성 저하를 초래하는 물리화학적 불안정성을 해결함으로써 리튬-금속 전지의 성능과 수명 특성을 향상시켰다.

구체적으로, 이황화 몰리브덴 인조 고체-전해질 중간물질과 리튬-알루미늄 합금으로 이루어진 음극을 설계하고 제조함으로써 리튬-금속 전지의 음극에서 일어나는 전기화학 공정을 안정화하여 균일한 핵생성을 유도하고 리튬 덴드라이트의 성장을 억제하였다. 또한, ASEI가 음극 표면에서 리튬의 안정한 이동을 일으키는 원천적 메커니즘을 리튬의 핵생성 과전압 측정과 계산을 통해 설명했다.

나아가 해당 음극에 고전압/고용량 NCM811 양극 극판과 최적화된 전해액 시스템을 적용하여 안정한 리튬-금속 전지 시스템을 파우치셀 수준에서 제조하여 성능을 입증하였으며 리튬이온전지의 에너지 밀도를 능가하는 차세대 전지의 가능성을 보여주었다.

KIST 조원일 박사는 “기존 리튬이온전지의 용량 한계가 예상됨에 따라 리튬금속전지 개발의 요구가 점증하고 있다”면서 “차세대 이차전지 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 전지를 필요로 하는 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템(ESS) 등의 발전에 기여할 수 있게 되기를 기대한다”고 밝혔다.

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