한국전기연구원(KERI, 원장 직무대리 김남균) 차세대전지연구센터 김병곤 박사팀의 리튬금속전지 관련 연구결과가 국제적으로 학계의 주목을 받고 있다.

기존의 리튬이온전지가 흑연음극에 리튬이온을 탈·삽입해 에너지를 내는 구조인 반면 리튬금속전지는 부피가 크고 무거운 흑연 대신 리튬금속 자체를 음극으로 사용하는 전지다.

리튬금속 음극은 흑연음극에 비해 이론상 저장용량이 10배 이상 높아 전기차나 ESS 등 대용량 전지가 필요한 분야에서 큰 관심을 끌고 있다.

하지만 이러한 장점에도 불구하고 충·방전 시 리튬금속을 효과적으로 저장하지 못하면 리튬이 나뭇가지 형태로 성장하는 일명 ‘수지상 결정’이 형성돼 점점 부피가 커지는 문제가 발생, 전지의 수명저하와 내부단락에 따른 화재 및 폭발로 이어질 수 있다.

문제 해결을 위해 연구팀이 개발한 기술은 ‘중공 코어 다공성 셀 구조의 탄소 나노섬유’로 우선 ‘중공 코어’ 부분에는 리튬 친화성 물질인 금 나노입자를 소량 첨가했다.

금은 리튬과 우선적으로 반응해 리튬의 성장방향을 제어함으로써 리튬을 코어 내부에 저장할 수 있도록 도와주는 역할을 한다.

또 연구팀은 셀에 기공을 도입해 고속 충·방전에서도 리튬의 ‘수지상 성장’ 없이 전·탈착 효율을 크게 높일 수 있었다.

연구팀은 문장혁 중앙대 교수와의 협업을 통해 기술의 효과도 이론적으로 검증했으며, 소재합성 과정에서 대량생산에 유리한 합성법인 ‘전계방사법’을 활용해 실용성도 확보했다.

김병곤 박사는 “리튬금속전지는 고용량이라는 장점에도 불구하고 안정성 문제로 상용화까지는 아직 넘어야 할 산이; 많다.”며, “이번 성과는 고속 충·방전에서도 리튬 전·탈착 효율이 향상된 리튬 저장체를 대량으로 생산하는 기법을 개발했다는 측면에서 가치가 매우 크다.”고 평가했다.