수명 2배 향상된 리튬금속전지 구현
차세대 전기차 주행거리 향상 기대

GIST(광주과학기술원) 신소재공학부 엄광섭 교수팀이 현대자동차 배터리연구팀과 함께 고분자가 코팅된 삼차원 절연 구조체를 음극에 도입해 충방전 내구성을 향상시키는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

음극 소재를 흑연에서 리튬 금속으로 대체한 리튬금속전지는 이론적으로 리튬이온전지보다 10배 높은 음극 용량을 구현할 수 있어 주목받고 있다.

연구팀은 리튬금속 배터리에서 폴리테트라플루오로 에틸렌을 이용해 합리적인 다공성 구조를 설계했으며 간단한 자가-고분자화 반응을 통해 삼차원 구조체 표면에 폴리도파민(Polydopamine)을 코팅해 극성 작용기가 풍부한 삼차원 구조체를 만들었다.

이번에 개발된 삼차원 구조체의 절연 특성이 리튬을 내부에서부터 도금하고, 풍부한 극성 작용기가 리튬 이온의 유량을 균질화해 수지상 결정 성장이 억제되는 효과를 보였다.

연구팀은 개발한 삼차원 고분자 구조체를 리튬금속 음극으로 활용한 결과, 기존의 구리 집전체 기반 리튬금속 음극보다 2배 이상의 에너지 밀도와 2배 정도의 수명을 갖는 리튬금속전지를 만드는 데 성공했다.

엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 기존 리튬금속전지의 고질적인 문제인 충·방전 동안에 일어나는 불균형한 돌기 형성(dendrite)과 그로 인한 부피 팽창 문제를 해결할 수 있는 새로운 대안을 제시했다”면서 “향후 안정성이 보장된 고에너지 리튬금속 전지를 차세대 전기자동차에 이용할 수 있게 된다면 전기자동차의 1회 충전 주행거리를 크게 향상시킬 것으로 기대된다”고 말했다.