몇 년 전만 해도 거리에서 전기차를 보는 것은 드물었지만 이제는 전기차들이 자주 눈에 띈다. 자동차 제조사들이 다양한 전기차들을 선보이고 있지만 사람들이 여전히 전기차 구매를 망설이는 이유는 배터리의 용량과 충전의 불편함이다. 이 때문에 현재 사용되는 리튬이온전지보다 용량이 크고 충·방전이 빠른 차세대 이차전지 연구가 활발하다. 이에 주목받는 것이 리튬금속 전지이다. 용량이 크다는 장점은 있지만 안전성과 내구성 문제가 여전히 남아있다.

광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 연구팀은 리튬금속 전지의 용량 유지율과 내구성을 대폭 향상시키는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘스몰’에 실렸다.

리튬이온전지는 음극 소재인 흑연이 현재 이론적 한계 용량에 도달한 상태이다. 이 때문에 에너지 밀도를 높이기 위해 흑연 대신 리튬금속으로 음극 소재를 대체한 리튬금속 전지가 개발됐다. 이론적으로는 리튬이온전지보다 10배 이상의 용량을 구현할 수 있지만 충·방전 중 전지 단락 현상이 쉽게 발생하고 전해질 분해와 리튬금속 손실이 일어나 충·방전 효율이 급격히 감소한다는 문제가 있다.

연구팀은 비교적 간단한 전기화학적 공정을 통해 리튬금속 전지 음극에 사용되는 구리 집전체 표면에 인공 고체막을 형성하는 방법을 개발했다. 구리 집전체 표면에 인공 고체막을 씌우면 전지의 성능과 내구성을 떨어뜨리는 리튬 수지상 결정 성장이 억제되는 것이 확인됐다.

연구팀은 이번에 개발한 구리 집전체를 사용한 리튬금속 음극을 사용해 리튬금속 전지를 제조한 결과 기존 구리 집전체보다 2.5배 용량이 증가했으며 수명도 4배 이상 늘리는 데 성공했다. 기존에는 30회 충·방전 후 용량이 70% 이하로 줄어들었지만 이번에 개발한 기술을 활용하면 120회 이상 충·방전 후에도 70% 이상 용량을 유지하는 것으로 관찰됐다.

연구를 이끈 엄광섭 GIST 교수는 “이번 연구 결과는 소량의 전해질 첨가제와 간단한 전기화학 표면처리로 리튬금속 전지 음극용 집전체가 충분히 안정성을 확보할 수 있음을 보여줬다”라면서 “고에너지 리튬금속 전지를 장착한 전기차 상용화에 이바지할 것으로 기대한다”라고 말했다.