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포스텍 박수진 교수 연구팀, 리튬 단점 보완 전도성 유·무기 복합 보호층 개발

등록 2019.02.22 16:41:52

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【포항=뉴시스】강진구 기자 = 포스텍(총장 김도연)은 화학과 박수진(사진) 교수, 박사 이정인 씨가 UNIST 에너지공학과 신명수, 홍동기 연구원과 함께 리튬 금속 음극의 단점인 폭발을 원천적으로 막을 리튬 전도성 유·무기 복합 보호층을 개발했다고 22일 밝혔다.2019.02.22.(사진=포스텍 제공)  photo@newsis.com

【포항=뉴시스】강진구 기자 = 리튬이온 전지에 비해 에너지 밀도가 10배 이상 높지만, 폭발의 우려 때문에 상용화할 수 없었던 리튬 금속 음극의 단점을 보완하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

 포스텍(총장 김도연)은 화학과 박수진 교수, 박사 이정인 씨가 UNIST 에너지공학과 신명수, 홍동기 연구원과 함께 리튬 금속 음극의 단점인 폭발을 원천적으로 막을 리튬 전도성 유·무기 복합 보호층을 개발했다고 22일 밝혔다.

 또한 차세대 고용량 양극 물질을 사용해 고속 충전과 고출력이 가능한 리튬 금속 전지도 구현했다고 덧붙였다.

 이 기술이 확장된다면 성능 좋고 안전한 리튬 금속 전지의 상용화가 앞당겨져 전기차나 휴대용 디스플레이 배터리로 대거 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

 일반 리튬 이온 전지에는 음극체로 흑연이 들어간다. 흑연 대신 금속을 음극으로 사용하게 되면 질량 대비 10배, 부피대비 3배 이상 용량이 늘어나 작은 크기의 배터리로도 효율을 획기적으로 올릴 수 있다.

 하지만 금속을 음극체로 쓰게 되면 리튬 반응성이 좋아져 배터리 충전 시 리튬이 바늘처럼 뾰족뾰족하게 자라게 된다. 이렇게 되면 날카로운 리튬이 분리막을 뚫어 셀이 폭파되거나 망가져 기능을 잃게 되는 현상이 발생한다.

 연구팀은 이런 현상을 막기 위해 리튬 전도성 무기(리튬 티타늄 산화물 Li2TiO3, LT층)·유기(불소계 수지PVDF-HFP) 복합막을 개발해 충전과 방전을 계속하는 동안 바늘처럼 뾰족하게 리튬이 자라나는 현상인 수지상 결정을 근본적으로 차단했다.

 복합막이 리튬이 자라지 못하게 빈 공간을 채우며 셀 안에만 머물도록 돕기 때문에 전지의 안정성이 확보되고 수명도 향상된다.

 연구팀은 다양한 차세대 고용량, 고전압 양극물질(NCM811, LNMO, LMO)를 사용해 고속충전과 고출력이 가능한 리튬 금속 전지를 구현하는 데도 성공했다.

 이번에 개발된 복합막인 리튬 전도성 무기층은 기존에 사용해 오던 카보네이트계 전해액에도 그대로 적용할 수 있어 기존 시스템을 바꾸지 않고도 사용할 수 있기 때문에 큰 비용 없이 상용화할 수 있을 것으로 기대된다. 

 이번 연구성과는 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advaned Energy Materials)지 최근호에 게재됐다.

 이 연구는 한국연구재단 학문후속세대지원사업의 대통령 Post Doc. 펠로우십 및 원천기술개발사업 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

 포스텍 박수진 교수는 “이번에 개발된 리튬 이온 전도성 무기·유기 복합막은 손쉽게 차세대 전지에 적용할 수 있는 기술로 리튬 금속 전지 상용화에 크게 기여할 것으로 전망된다”고 말했다.

 dr.kang@newsis.com

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