이차전지의 폭발 위험성을 낮추는 동시에 이를 활용해 전지의 추가 용량을 확보하는 역발상 연구 결과가 나왔다.
정상적인 충전 이후 추가적인 리튬 충전 시 표면에 형성되는 수지상의 리튬 성장을 제어하는 개선 소재가 적용된 음극 전극과 기존 흑연 전극 모식도.
고민성 부경대 금속공학과 교수 연구팀은 흑연 음극재의 용량을 초과하는 충전 진행 시 흑연 표면에 형성되는 리튬을 효과적으로 제어하고, 이를 통해 용량을 늘리는 연구 결과를 재료·에너지 분야 국제학술지인 'Journal of Materials Chemistry A'에 게재했다고 11일 밝혔다. 흑연 음극재에 결함이 있는 탄소 나노 튜브의 성장을 유도해 리튬을 제어하는 방법이다.
이차전지의 흑연 음극재는 용량이 낮은 단점 외에도 과도하거나 불균일한 충전 진행 시 흑연 표면에 수지상(樹枝狀) 리튬 형성이 문제점으로 지적됐다. 수지상 리튬은 가역성이 낮아 전지 성능의 열화를 일으키고, 지속적인 성장 시 전기적 단락으로 화재나 폭발을 일으키는 원인으로 지목됐다.
고민성 부경대 금속공학과 교수(뒷줄 가운데)와 연구진. 부경대 제공
고 교수 연구팀은 매사추세츠 공과대학교(MIT) 성재경 박사, 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(PNNL) 김남형 박사와 공동 연구를 진행해 전지 안정성을 위협하는 수지상 리튬으로 흑연 음극재의 용량 한계를 극복하는 방안을 찾아냈다. 이차전지의 결함을 강점으로 승화시킨 셈이다.
연구팀은 니켈 촉매와 탄화수소 가스를 사용하는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 공정으로 흑연 표면에 의도적으로 구조적 결함이 있는 탄소 나노 튜브의 성장을 유도했다. 이 소재를 음극에 적용했을 때 리튬의 전착 때문에 발생하는 전극 저항이 완화되면서 리튬 증착이 균일하게 유도되는 것을 확인했다.
실험 결과 균일하게 형성된 리튬층은 높은 가역성을 보이며 전지의 용량을 늘린 것으로 나타났다. 양극 전극의 용량이 음극 전극의 용량보다 크게 설계된 완전 전지(full cell) 구동 시 300사이클 이후에도 용량을 추가로 활용할 수 있었다.
고 교수는 “결함이 있는 탄소 나노 튜브가 수지상 리튬을 효과적으로 제어해 전지 안정성 문제를 해결했다"며 "전극 설계 시 불필요한 음극 사용을 감소시키고, 동시에 추가적인 리튬 사용으로 전지 에너지 밀도 향상이 가능할 것으로 기대한다”라고 말했다.
