[한국기술뉴스] 지스트 신소재공학부 엄광섭 교수 연구팀은 기존 리튬 이온 배터리 음극보다 3배 이상 가벼운 고용량 리튬 금속 음극을 개발해 ‘리튬 이온 배터리’의 중량과 부피를 획기적으로 줄이는 데 성공했다.

휴대전화부터 전기자동차에 이르기까지 배터리는 일상 필수품이 됐다. 전자제품은 휴대성을 위해 더 작고 가벼운 제품들이 선호돼 배터리의 크기를 축소하고 가볍게 만드는 노력이 이어지고 있다. 하지만 배터리에 저장할 수 있는 에너지가 줄어든다는 문제가 있었다.

최근 리튬 이온 배터리의 음극 재료로 흑연보다 10배 이상 용량이 높은 리튬 금속을 사용하려는 연구가 진행되고 있다. 하지만 리튬 금속을 음극으로 사용하면 배터리 충전 과정에서 덴드라이트라는 특수한 형태로 성장한다. 이로 인해 전극의 부피가 팽창 및 수축을 반복한다. 배터리 수명이 짧아지고 폭발 위험성이 야기되기도 한다.

연구팀은 이러한 문제점에 착안하여 리튬이 구조체 내부에 안정적으로 저장될 수 있으면서도 구조체 무게와 부피를 획기적으로 줄일 수 있도록 기공률, 기공경, 그리고 전극의 두께나 면적을 자유롭게 제어할 수 있는 전극 제작 방법을 고안했다. 90% 이상 기공률을 갖도록 제작한 다공성 전극은 풍부한 기공을 가지고 있어 기존 연구보다 더 많은 리튬을 저장할 수 있다. 또한 나노입자로 구성된 전극은 리튬과 높은 친화성을 갖는 결정면이 표면에 풍부하게 노출돼 있고 기공경 또한 수백 나노미터로 크다. 따라서, 리튬 이온이 기공 내부로 침투해 성장하기 쉽고, 다공성 구조체의 내부에 리튬을 성공적으로 저장할 수 있었다.

엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 리튬 금속을 음극의 기초적인 전극 설계 방법 및 재료 설계 방법을 확립함으로써 배터리의 실질적인 에너지 저장량을 향상시킬 수 있는 기술을 확보한 것이다”라면서, “후속 연구를 통해 여러 종류의 양극 재료에 적용하는 연구를 진행하여 배터리의 고질적인 문제였던 낮은 에너지 저장량을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

연구 결과는 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈’(Energy Storage Materials)에 1월 18일 게재됐다.