KIST 연구진, 전해질 최적화로 리튬이온전지 수명 2배 늘리는데도 성공

올해 노벨화학상은 리튬이온전지를 개발하고 상용화를 이끈 과학자 3명에게 돌아갔다. 원자번호 3번인 리튬은 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있을 뿐만 아니라 가볍고 용량이 큰 2차전지에 최적화된 소재이다. 문제는 고등학교 화학시간에 실험해서 알 수 있듯이 리튬과 나트륨 같은 금속은 물과 닿는 순간 엄청나게 폭발하는 특성을 갖고 있어서 전지로 만들었을 때도 자칫 폭발가능성이 크다. 이 때문에 폭발위험성을 낮추기 위해 흑연을 음극에 사용한 리튬이온전지가 먼저 상용화된 것이다.

국내 연구진이 리튬이온전지보다 이론상 에너지 밀도가 10배 이상 높은 것으로 알려진 ‘리튬금속전지’의 폭발위험성을 획기적으로 낮춘 연구결과를 내놨다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 연구진은 리튬금속전지의 상용화를 막는 가장 큰 문제인 물리화학적 불안정성을 없앨 수 있는 리튬-알루미늄 합금 기반 음극재를 개발했다고 17일 밝혔다. 이번 연구결과는 기초과학 및 공학 분야 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시즈’에 실렸다.

리튬이온전지는 상용화 후 기술개발이 지속적으로 이뤄져 무게당 에너지 밀도를 높이는데 한계에 다다른 상태이다. 전기자동차, 드론, 사물인터넷(IoT) 등 고용량 전지가 요구되는 만큼 리튬이온전지를 넘어선 2차전지의 필요성이 커지고 있다.

이 같은 상황에서 연구팀은 리튬금속전지에 주목하고 폭발위험성을 낮추기 위한 연구에 착수했다. 그 결과 시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄을 리튬과 합금으로 만들어 불안정성을 잡은 것이다. 또 음극으로 사용되는 리튬-알루미늄 합금 표면에 이황화몰리브덴 기반의 초박막 인조보호막을 만들어 전지용랑과 수명을 급격히 떨어뜨리는 덴트라이트라는 현상을 억제했다.

한편 연구팀은 리튬-알루미늄 합금 음극재 개발 뿐만 아니라 전해질 시스템을 최적화시켜 리튬이온전지의 수명을 2배 이상 늘리는데도 성공했다.

조원일 KIST 박사는 “이번 연구로 기존 리튬이온전지를 대체하는 2차전지를 만들어 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템(ESS) 등 발전에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr