"배터리 열 폭주 차단" 리튬금속 이차전지 신소재 나왔다 > IT/과학기사 | natenews rank

이번 연구를 수행한 연구진. 박성우왼쪽부터 삼성SDI 박사, 심규빈 KBSI 박사 후 연구원, 김해진 KBSI 책임연구원.[KBSI 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 리튬이온전지의 단점을 극복할 새로운 소재의 개발이 활발히 진행 중인 가운데, 국내 연구진이 기존 흑연 음극의 낮은 에너지 밀도를 개선하기 위한 고에너지 리튬 이온 금속 하이브리드 이차전지 소재를 개발했다.

한국기초과학지원연구원KBSI 소재분석연구부 김해진 박사 연구팀은 충전 중 리튬금속 석출로 인한 음극 열화를 방지하기 위해 고체 전해질 계면Solid Electrolyte Interphase, SEI층에 은Ag 나노점을 고정하여 전기적 접촉을 유지하는 방법으로 리튬금속과 탄소의 하이브리드 음극소재에서 높은 전류 효율과 장기 안정성 성능을 개선하는 효과를 증명했다고 17일 밝혔다. 이번에 개발한 리튬 이온 금속 하이브리드 음극물질은 안정적인 금속 기반 고에너지 음극을 개발하기 위한 SEI층 연구에 새로운 전환점을 제공할 것으로 기대된다.

리튬 금속은 이차전지의 높은 에너지 밀도를 달성하기 위한 궁극의 음극 물질로 간주되며, 이론상으로 최고 용량3,860 mAh/g은 오늘날 상업화된 이차전지에서 가장 많이 사용되는 흑연 음극370 mAh/g보다 10배 이상의 비특정 용량을 제공한다. 하지만 리튬 금속 음극은 큰 부피 변화, 셀의 단락과 관련된 열 폭주 및 불안정한 쿨롱 효율CE과 관련된 낮은 순환 안정성과 같은 치명적 문제점이 있다.

연구진은 리튬 석출 및 박리 과정 중 큰 부피 변화로 인해 탄소 기반 호스트 재료 사이의 전기적 접촉이 끊어지는 것이 하이브리드 음극의 성능 저하의 주요 원인이라는 가정에서 리튬 금속 음극의 전체 용량과 순환 안정성 사이의 균형을 맞추기 위해 하이브리드 리튬 이온 및 금속 음극 시스템을 제안했다. 그 결과, 고용량 리튬 이온 금속하이브리드 음극의 열화는 주로 큰 부피 변화로 인한 구조적 변형 때문이란 사실을 밝혀냈다.

이번 연구에서는 구형 탄소Spherical Carbon 호스트 재료를 사용한 리튬 이온 및 하이브리드 음극의 사이클 안정성을 조사했다. 구조 변형으로 인해 탄소 호스트는 전기적 비활성화가 발생하여 그들이 전기적으로 분리되는 현상을 관찰하여 용량 감소는 리튬화 및 탈리화 과정 중 음극의 구조적 변형으로 인해 탄소 호스트의 전기적 비활성화를 초래하여 전기적 접촉을 잃게 만든다는 원인을 밝혀 냈다. 이러한 원인을 해결하기 위해 연구진은 SEI층에 은 나노입자를 고정하여 이러한 접촉 손실을 억제하는 방법을 확보했다. 은 나노입자의 고정 방법을 통해 구형 탄소에서 석출된 리튬 금속 표면에 생성된 고체 전해질 계면SEI 층은 탈리화 후에도 서로 인접하게 유지될 가능성이 있으며, 전기 전도성을 가질 경우 큰 부피 변화로 인해 물리적으로 분리된 탄소 호스트 사이의 전자 전달 경로 역할을 할 수 있다는 사실을 증명했다.

KBSI 연구진은 “음극에 리튬이 석출되는 상황에서 전극이 열화되는 메커니즘을 규명하고 충방전 중 음극 활물질 표면에 발생하는 SEI층에 전도성을 부여함으로써 전극의 열화를 예방할 수 있다는 새로운 발견을 했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 이번 발견을 응용해 급속충전 시 발생하는 음극내 리튬 석출로 인한 전극의 열화 현상 개선 관련 후속 연구를 진행하고자 한다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 복합재료분야 국제학술지 ‘컴포짓 파트 B: 엔지니어링’에 게재됐다.

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