대구 DGIST 연구팀, 리튬 금속 음극 수명과 안정성 확보할 새로운 전해질 설계원리 규명

왼쪽부터 DGIST 에너지공학전공 이호춘 교수, 이홍경 교수, 조영성 석사과정생이 기념촬영을 하고 있다.

대구 DGIST(총장 국양) 에너지공학전공 이홍경 교수·이호춘 교수 공동 연구팀이 리튬 금속 음극의 성능을 확보할 수 있는 전해질 설계 원리를 규명했다. 이를 통해 설계된 유사 고농도 전해질은 기존 전해질보다 리튬 금속 음극의 수명을 늘릴 수 있어, 향후 전기자동차용 이차전지 개발에 긍정적인 영향을 줄 것으로 보인다.

높은 이론 용량과 에너지 밀도를 갖는 리튬 금속 전극은 이차전지의 가장 이상적인 음극재다. 하지만 전지 수명 감소와 발화 등이 다양한 문제들이 해결해야 할 과제로 남아 있다. 이에 최근 유사 고농도 전해질이 리튬 금속 음극의 내구성을 크게 개선시킨다는 연구 결과가 보고됐지만, 유사 고농도 전해질의 효과가 전지가 실제 구동하는 온도범위인 영하 20℃ ~ 60℃ 사이에서의 효과와 작용 기작에 대한 규명은 이뤄지지 않았다.

이에 공동연구팀은 다양한 온도에서 유사 고농도 전해질이 리튬 금속 음극과 리튬 금속 이차전지의 장기수명을 내구성에 미치는 영향을 규명했다. 기존 고농도 전해질에 비해 유사 고농도 전해질 적용 시, 저온(5℃)과 고온(60℃)에서 리튬 금속 음극의 내구성이 크게 향상시켰으며, 리튬 금속 이차전지의 장기수명 또한 40%이상 증가시키는 것을 확인했다.

추가적으로, 공동연구팀은 이차전지의 전기화학적 과전압과 리튬음극 계면의 열안정성 분석을 통해 유사 고농도 전해질이 보이는 개선 효과의 원인을 규명했다. 그 결과, 유사 고농도 전해질은 세 가지 과전압 성분이 모두 감소했으며, 특히 저온에서 과전압 감소 효과가 두드러졌고, 이로 인해 저온 내구성이 개선된 것을 확인했다.

DGIST 에너지공학전공 이호춘 교수는 "이번에 규명한 분석 결과는 리튬 금속 전지용 전해질의 설계의 지침이 될 수 있는 원천 기술이다"며 "향후 리튬 금속 음극을 사용하는 다양한 차세대 전지용 전해액 시스템 설계에도 적용할 수 있을 것"이라 말했다.

한편, 해당 연구는 DGIST 에너지공학전공 이홍경 교수와 이호춘 교수의 공동 연구를 바탕으로 DGIST 에너지공학전공 박기성 박사와 조영성 석사과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 에너지 분야 저명 국제 학술지인 'Chemical Engineering Journal'에 8월 21일 온라인 게재됐으며, 해당 저널의 내년 1월호에 게재 예정이다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구실 지원사업, 우수 신진연구 지원사업, 그리고 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

?유사 고농도 전해질= 리튬이온과의 상호작용이 매우 약한 비용매를 전해질에 첨가하여, 고농도 전해질의 우수한 리튬 음극과의 안정성과 일반 전해질의 우수한 이온전도 특성을 동시에 만족하는 전해질.
?과전압 (Overpotential, Polarization)= 전기화학 반응에 수반되는 불가피한 에너지 소모로서 분극현상으로도 명명함. 전지의 충전 과정에서 추가 요구되고, 방전 과정에서는 낭비되는 에너지.

박종문기자 kpjm@yeongnam.com

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