울산과기원 연구팀, 리튬 금속 전지 구현할 전해액 개발

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 최남순·곽상규 교수팀이 고용량 배터리로 주목받는 리튬 금속 전지를 구현할 방법을 개발했다고 18일 밝혔다.

울산과기원에 따르면 리튬 금속 전지는 리튬 금속을 음극으로 채용하고 고용량 양극을 결합해서 만드는데, 기존 리튬 이온 전지에 사용하는 '카보네이트 전해액'은 리튬 금속에 높은 반응성을 가져 폭발 위험이 있다.

이 때문에 리튬 금속 음극에 대한 반응성이 낮고 4V 이상의 고전압 양극에서도 작동이 가능한 전해액 개발이 필요했다.

연구팀은 불소 원자를 포함하는 용매를 이용해 '이온 농축형 전해액'을 개발했다.

이 전해액은 리튬 금속 전지의 음극과 양극에 보호막을 고르게 형성해 전체 배터리의 수명과 출력을 높였다.

리튬 금속 전지와 리튬 이온 전지의 충·방전은 '리튬 이온'이 양극과 음극을 오가며 발생한다.

이때 리튬 이온이 지나는 통로가 전해액인데, 전해액 자체가 전극 표면에서 반응해 보호막을 만들기도 한다.

보호막이 불균일하게 형성되면 전지 성능을 떨어뜨리거나 전지가 망가지는 현상이 나타난다.

연구팀은 불소를 함유한 전해액을 통해 음극과 양극을 동시에 보호하고, 전지 출력을 높였다고 설명했다.

불소는 리튬 전극 표면에 보호막을 형성하고, 보호막이 부분적으로 파괴됐을 때 수선하는 역할도 했다.

제1 저자인 이용원 박사는 "4V 이상 고전압에서 전해액이 분해돼 양극에 달라붙는 문제를 해결됐다"며 "기존 리튬 이온 전지용 전해액에서는 확보할 수 없는 높은 전압과 긴 수명의 리튬 금속 전지를 구현할 수 있게 됐다"고 말했다.

최남순 교수는 "리튬 금속 전지와 동일한 양극을 사용하는 리튬 이온 전지를 비롯해 차세대 고에너지 밀도 전지의 성능을 높이는 데 많은 도움이 될 것"이라고 강조했다.

이번 연구는 저명 국제학술지 '나노 에너지'(Nano Energy)에 11월 20일 자로 공개됐다.

연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업과 산업통상자원부 전략적핵심소재기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.

/연합뉴스