고려대, 성능·수명 극대화한 배터리 기술 개발

[이데일리 신하영 기자] 고려대 연구진이 리튬금속 배터리 성능·수명을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다.

사진=고려대 제공

고려대는 김동완(사진) 건축사회환경공학부 교수팀이 이러한 연구 성과를 거뒀다고 7일 밝혔다. 연구 결과는 에너지·환경 분야 저명 국제학술지(Energy & Environmental Science) 5월 29일 자에 게재됐다.

연구팀은 금속-유기 골격체(MOF)를 활용해 리튬금속전지의 성능·수명을 제고하는 ‘리튬 수지상 억제 기능성 인공보호층’을 개발했다. 리튬금속 음극은 현재 상용화된 배터리에 사용되는 흑연 음극보다 10배 이상의 에너지 효율을 갖는다. 특히 더 낮은 전압에서 작동해 차세대 고에너지 배터리에 적용이 가능하다.

다만 리튬금속은 충·방전 중 바늘 모양의 리튬을 형성해 배터리 성능·수명을 저하시키는 단점이 있다. 심지어 전기적 단락으로 폭발 위험성도 갖는 것으로 알려졌다. 종전까지는 배터리 성능과 안전성에 영향을 미치는 리튬금속 양극의 불균일한 리튬 증착(蒸着) 문제를 해결할 수 없었다.

연구팀은 이번 연구에서 특수 다공성 물질인 ‘MOF UiO-66’ 을 사용해 리튬이온이 균일하게 이동될 수 있도록 했다. 특히 리튬이온의 활동성을 높이기 위해 구조 틈새에 불화마그네슘(MgF2)을 삽입, 리튬 이온 수승력을 혁신적으로 개선했다. 이런 접근법을 이용하면 양극에 균일한 마그네슘-리튬 층이 형성돼 바늘 모양의 리튬 성장(수지상 성장)이 억제되는 것으로 나타났다.

연구팀은 “상온에서 저렴하게 만들 수 있어 대량생산에 이상적인 인공고체-전해질 계면 (Solid-Electrolyte Interphase; SEI)이라는 보호층을 개발했다”며 “이 층을 갖춘 배터리는 2000회의 빠른 충·방전 주기 동안 안정적인 성능을 보여 내구성이 뛰어나고, 대규모 사용에 적합해 첨단 리튬금속 전지 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.