KAIST 연구팀, ‘고분자 보호막’ 적용 리튬전지 수명 6배 연장

리튬 음극에 적용해…충·방전 사이클 600회로
‘무늬만 리튬’ 아닌 진짜 리튬전지 상용화 기대

고분자 보호막이 적용되기 전(사진 왼쪽)과 적용 이후(오른쪽)의 리튬 전지 음극의 모습. 고분자 보호막이 적용되기 전에 형성되는 바늘 형태의 침전물이 보호막 적용 뒤에는 사라진 것을 알 수 있다. 카이스트 제공

지금 리튬 전지로 불리고 있는 2차 전지들은 사실은 ‘무늬만’ 리튬 전지다. 리튬 금속은 높은 반응성 때문에 전극에 사용하면 전해액을 고갈시키고 바늘 형태의 침전물(덴트라이트)을 만든다. 이것은 전지의 수명을 단축하고 폭발 위험으로까지 이어질 수 있다. 그러다보니 현재 상용화된 리튬 전지들은 음극에는 그라파이트(흑연)를 쓰고 양극 소재에만 리튬을 일부 사용하고 있는 상태다.

카이스트는 김일두 교수(신소재공학과)와 임성갑 교수(생명화학공학) 공동 연구팀이 리튬 전지의 전해액 속에서 팽윤(고분자 화합물이 용매를 흡수해 부피가 늘어남)되는 초박형 공중합체 고분자 보호막을 적용해 세계 최고 수준의 리튬 전지 수명을 구현하는데 성공했다고 28일 밝혔다.

연구팀은 리튬 전지의 수명 단축과 폭발 위험을 부르는 리튬의 높은 반응성과 침전물 형성 문제를 100㎚(나노미터·10억분의1m) 두께의 얇은 고분자 구조물로 전극을 싸는 기술을 개발해 해결했다. 고분자 보호막으로 처리된 리튬 전지 음극은 세계 최고 수준의 리튬 이온 운반율(0.95)을 나타내면서 침전물 성장도 억제시켰다. 이 방법을 적용한 리튬 전지는 충·방전 사이클이 600회 이상으로, 안정적 구동 성능을 보였다. 리튬 음극을 그대로 사용할 경우 100회 정도에 불과했던 것에 비해 수명이 6배 늘어난 것이다.

김일두 교수는 “리튬 전지 음극에 리튬을 쓰면 좋은데 폭발 등의 위험이 있어 현재 상용화된 리튬 전지는 흑연을 대신 사용하고 있다”며 “연구 결과가 고용량 리튬 2차전지뿐만 아니라 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지와 같은 차세대 2차전지에 필수적인 리튬 음극의 상용화를 앞당기는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

김정수 선임기자 [e-mail]