DGIST, 차세대 배터리 상용화 걸림돌 해결

대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지공학과 이홍경·이용민·이호춘 교수 공동연구팀이 차세대 배터리의 안정성과 수명 특성을 획기적으로 향상할 수 있는 신개념 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다.

현재 전기차 등 대부분의 상용화한 배터리는 음극으로 흑연계 전극을 사용한다. 흑연계 음극은 배터리 내부에서 많은 무게와 부피를 차지해 에너지 밀도 측면에서 한계를 갖고 있다. 이 때문에 장시간 배터리 구동에 한계를 극복하기 위해 가볍고 적은 부피를 가지는 음극재에 대한 요구가 증가하고 있는 것이다.

왼쪽부터 이홍경 에너지공학과 교수, 임민홍 석박사통합과정생. DGIST 제공

‘리튬금속’은 이런 문제를 해결할 수 있는 차세대 음극재로 주목받고 있다. 하지만 리튬 금속음극을 상용화하기에는 리튬 배터리의 충전 과정에서 음극 표면에 쌓이는 나뭇가지 모양의 결정체인 ‘덴드라이트(Dendrite)’가 생성되는 문제가 걸림돌로 작용했다.

덴드라이트를 억제하기 위한 노력은 꾸준히 있었지만, 더 빠르고 균일한 이온 수송을 구현하기 위해서는 고전적인 이온 수송 방식 자체에서의 탈피가 필요했다.

연구팀은 전지 내에 정적인 전해액을 동적상태로 만들어 줄 수 있도록 외부 자기장에 감응하는 나노 크기의 교반 막대를 제작하고 이를 전해액에 첨가하여 미세 대류를 발생시킬 수 있도록 했다. 이에 따라 빠른 이온 수송을 도모했고 이온 확산을 기존 대비 32%가량 줄일 수 있어 균일한 이온 수송이 가능했다.

자성나노입자(NSB)와 외부 자기장 인가를 통해 구현된 동적 이온 수송은 리튬 이온의 빠르고 균일한 수송을 도모할 수 있어 덴드라이트 형성과 성장을 억제시키는 데 효과적임이 높은 충전 속도에서도 검증됐다. 다양한 전해액에 첨가했을 때도 동일한 효과를 구현할 수 있었다.

연구팀에서 개발한 전해액을 사용해 리튬금속전지 제작 후 외부에 회전자기장을 인가하면서 구동시키게 되면 기존 대비 수명 특성을 획기적으로 향상할 수 있다. 이홍경 교수는 “자성나노입자를 통해 기존에 시도되지 않았던 동적인 전해액을 구현하고 전해액 연구 패러다임을 바꿀 수 있는 신개념 전해액 시스템”이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 재료공학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)‘ 2022년 7월호에 발표됐으며, 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.

대구=김덕용 기자 [e-mail]