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Research

리튬금속전지 수명 늘리는 전극 설계 기술 개발

  • 조회. 268
  • 등록일. 2020.09.14
  • 작성자. 홍보팀

표면활성 구배형 전극 설계로 전지 수명 문제 해결 기대

 

이종원 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 교수이다.

 

 전기자동차나 정보저장장치의 배터리로 쓰이는 리튬이온전지의 음극소재인 흑연의 용량한계를 극복할 돌파구가 나왔다. 흑연 대신 에너지 밀도가 10배 이상 높은 리튬을 음극소재로 쓰려는 노력이 계속되는 가운데 국내 연구팀이 리튬 음극소재의 약점인 내구성을 높일 방법을 찾아냈다. 

 한국연구재단은 이종원 교수(DGIST, 대구경북과학기술원), 박민식 교수(경희대학교), 김정호 교수(호주 울런공대학교) 공동 연구팀이 차세대 리튬금속전지의 수명을 향상시킬 3차원 리튬저장체 설계 기술을 개발했다고 밝혔다.

 리튬금속전극은 높은 이론용량(3,860 mAh/g)에도 불구하고 충·방전 과정에서 지속적으로 전극 주변에 나뭇가지 모양의 리튬결정1)이 형성되면서 극심한 부피변화가 발생, 결국 전극의 성능저하로 이어지는 것이 문제였다.

 때문에 넓은 표면적의 다공성 구조체(기공 크기 : 수십 나노미터~수십 마이크로미터)에 리튬을 저장하는 방식으로 부피변화를 방지하려는 연구가 이어져 왔다. 하지만 리튬이 의도한 기공 내부가 아닌 구조체 표면에 불균일하게 증착되는 것이 문제였다.

 이에 연구팀은 전기화학 시뮬레이션을 통해 3차원 구조체에서의 가역적인 리튬저장 기작을 찾아내고, 충·방전 수명 특성을 향상시킬 수 있는 표면활성 구배2)형 전극설계 기술을 제시하였다.  

 전극표면부터 내부로 들어갈수록 리튬이온이 리튬금속으로 환원 되는 성질, 즉 표면활성이 더 높아지도록 함으로써 선택적인 리튬금속의 증착을 유도, 리튬이 전극 하부부터 균일하게 저장될 수 있도록 한 것이다. 그 결과 반복적인 충·방전 시에도 리튬 수지상 형성 및 부피 변화가 발생하지 않아, 장기간 안정적인 성능이 유지되는 것을 실험적으로 검증하였다.

 연구팀에서 제시한 소재 및 전극 디자인 개념은 기존 리튬이온전지 대비 높은 에너지밀도와 우수한 수명 특성을 갖는 고효율 리튬금속전지를 구현에 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응 기술개발사업과 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 9월 1일(화) 온라인 게재되었다.

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1) 리튬 수지상(lithium dendrite): 리튬의 불균일한 증착/탈리 과정에 의해 형성되는 나뭇가지 모양의 리튬 결정

2) 표면활성 구배(interfacial activity gradient): 전극표면에서 두께방향으로 갈수록 리튬 ‘이온’이 환원되어 리튬 ‘금속’으로 증착되는 정도인 표면활성이 증가하도록 한 것 

 

  연구결과개요 

Bottom-Up Lithium Growth Triggered by Interfacial Activity Gradient on Porous Framework for Lithium Metal Anode
윤종혁 석사과정(1저자/조선대학교), 박범경 박사(공동저자/미국 노스웨스턴대학교), 원은서 석사과정(공동저자/대구경북과학기술원),최승현 석사과정(공동저자/경희대학교), 강현철 교수(공동저자/조선대학교), 김정호 교수(교신저자/호주 울런공대학교), 박민식 교수(교신저자/경희대학교), 이종원 교수(교신저자/대구경북과학기술원)
(ACS Energy Letters, on-line published on 1st Septmeber, 2020) 

 

1. 연구의 필요성

- 현재 리튬이온전지의 음극소재로 흑연이 사용되나, 전기자동차 및 에너지저장시스템 산업의 발전으로 더 높은 에너지밀도의 이차전지를 개발하기 위해 흑연 대비 10배 이상의 이론 용량1)을 갖는 리튬 금속 음극소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

- 하지만 리튬금속전극은 충·방전 중 지속적으로 리튬 수지상2)이 형성 되고 극심한 부피 변화가 발생하여 전지성능이 저하될 수 있다. 

- 이를 해결하기 위해 넓은 표면적을 지니고 큰 부피의 기공을 갖는 3차원 구조체 내부에 리튬을 저장하는 기술이 많은 관심을 받고 있다. 하지만 충전 시, 리튬이 구조체 내부에 저장되지 못하고 표면에 불균일하게 증착되는 문제가 발생하여 교체주기가 짧다.

- 따라서 리튬금속전지의 수명을 향상시키기 위해 3차원 구조체에서의 리튬저장 반응을 이해하고, 구조체 내부에 리튬을 균일하게 저장할 수 있는 새로운 소재 및 전극 설계 기술이 필요하다.

 

2. 연구내용 
- 연구팀은 전기화학 시뮬레이션을 통해 3차원 구조체에서의 가역적인 리튬저장 메커니즘을 찾아내고, 구조체의 표면활성이 리튬저장 거동에 중요한 역할을 한다는 사실을 규명하였다.

- 시뮬레이션 결과를 활용하여 3차원 구조체 표면에서의 불균일한 리튬 증착을 효과적으로 억제하고, 구조체 내부에 균일하게 리튬을 저장할 수 있는 새로운 표면활성 구배3)형 리튬금속 전극 개념을 확립하였다.

- 3차원 구조체의 표면활성 구배 설계 기술을 적용하면 리튬저장 반응이 전극 하부부터 균일하게 진행되고, 반복적인 충·방전 시에도 리튬 수지상 형성 및 부피변화가 발생하지 않아, 안정적인 수명 특성이 유지되는 것을 실험적으로 검증하였다.

- 본 연구에서 확립된 소재 및 전극 디자인 개념을 적용하여 3차원 구조체 기반 리튬금속 전극을 개발하면 기존 리튬이온전지 대비 높은 에너지 밀도와 우수한 수명을 갖는 고효율 리튬금속전지를 구현할 수 있다.

 

3. 연구성과/기대효과
- 본 연구는 전기화학 시뮬레이션 해석을 통한 소재 설계와 실험적 구현 및 전기화학적 성능 검증을 기반으로 3차원 구조체 전극 설계에 대한 가이드라인을 제시한 데 의의가 있다.

- 개발된 표면활성 구배 개념을 활용하는 경우, 충·방전 시 발생하는 리튬 수지상의 형성 및 부피 변화를 억제하여 수명을 향상시킬 수 있기 때문에 차세대 리튬금속 기반 음극 소재로서의 가능성이 높다. 

- 리튬금속전지의 상용화에 기반이 될 수 있는 선행연구가 될 것으로 판단되며, 향후 리튬금속전지가 핵심부품으로 사용될 전기자동차, 에너지저장시스템 등 다양한 분야의 산업에 기여할 것으로 기대된다. DOI.10.1021/acsenergylett.0c01619

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1) 흑연의 이론 용량 372 mAh/g, 리튬 금속의 이론 용량 3,860 mAh/g

2) 리튬 수지상(lithium dendrite) : 리튬의 불균일한 증착/탈리 과정에 의해 형성되는 나뭇가지 모양의 리튬 결정

3)  표면활성 구배 : 전극표면에서 두께방향으로 리튬이온이 환원되어 리튬 금속 으로 증착되는 표면활성이 증가

 

 

  연구성과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

본 연구는 전기화학 시뮬레이션 해석을 통한 소재 설계와 실험적 구현 및 전기화학적 성능 검증을 기반으로 3차원 구조체 전극 설계에 대한 가이드라인을 제시한 데 의의가 있다. 기존 연구는 전극의 수명을 향상시키기 위해 다공성 구조체의 기공 구조를 변화시키고 최적화하는데 초점이 맞추어져 왔으나, 미세한 기공구조를 제어하는데 어려움이 많이 있어왔다. 이에 반해, 본 연구팀은 기존 연구에서 벗어나 구조체의 표면활성이 리튬저장 거동에 중요한 역할을 한다는 사실을 규명하고, 구조체 내부에 균일하고, 가역적으로 리튬을 저장할 수 있는 표면활성 구배형 전극 디자인 개념을 확립하였다.
 

Q. 어디에 쓸 수 있나?

개발된 표면활성 구배 개념을 활용하는 경우, 충·방전 시 발생하는 리튬 수지상의 형성 및 부피 변화를 억제하여 수명을 향상시킬 수 있기 때문에 차세대 리튬금속 기반 음극 소재로서의 가능성이 높다. 

 

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

실용화된다면 높은 에너지밀도의 리튬금속전지 수명을 향상시켜, 전기자동차, 에너지저장시스템 기술 발전 및 보급에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 확립된 소재 및 전극 설계 기술을 적용하여 실제 리튬금속전지의 요구사양에 부합하는 소재 합성 및 성능 개선에 대한 후속 연구를 진행 중이다.
 

Q. 연구를 시작한 계기는?

전기자동차, 에너지저장시스템 산업의 발전으로 고용량 이차전지용 음극 소재에 대한 요구가 높아지고 있으나, 현재 리튬이온전지의 음극 소재로 사용되고 있는 흑연은 용량 측면에서 한계를 가지고 있다. 이에 흑연 대비 10 배 정도의 높은 용량을 갖는 리튬금속에 대한 연구가 많이 진행되고 있으나, 수명 측면에서의 문제점을 아직 해결하지 못하고 있다. 리튬금속을 저장하고 가역적으로 이용할 수 있는 3차원 구조체에 대한 연구를 통해 리튬금속 전극의 수명을 향상시킬 수 있다면, 전기자동차, 에너지저장시스템의 핵심요소인 리튬이차전지의 획기적인 기술진보를 가져올 수 있다고 생각하여 본 연구를 시작하게 되었다.

 

Q. 어떤 의미가 있는가?

본 연구는 전기화학 시뮬레이션 해석을 통한 소재 설계와 실험적 구현 및 전기화학적 성능 검증을 기반으로 3차원 구조체 전극 설계에 대한 가이드라인을 제시한 데 의의가 있다.
 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

전기화학 및 재료과학의 이론과 실험이 접목된 후속연구를 통해 리튬금속전지 상용화를 위한 소재/전극 디자인 플랫폼을 구축하고자 한다.
 

 

  그림 설명 

[그림 1] 표면활성 구배형 전극에서 리튬저장 거동 및 전기화학 시뮬레이션

 
(그림설명) 
기존 리튬저장전극은 리튬이 구조체 내부에 저장되는 것이 아니라 구조체 표면에 불균일하게 증착되는 문제가 발생한다. 이에 반해 표면활성 구배형 전극은 리튬저장 반응이 전극하부부터 균일하게 진행되는 것을 전기화학 시뮬 레이션을 통해 예측하였다.
 

[그림 2] 표면활성 구배형 전극에서 가역적인 충전(리튬증착) 및 방전(리튬탈착)

 
(그림설명) 
전기화학 시뮬레이션 결과를 실험적으로 검증하기 위하여 모델전극을 설계하고 제작하였다. 고용량 충전과정 중 전극하부부터 리튬이 증착되고, 방전과정 중 전극상부부터 리튬이 탈착되는 과정을 실험적으로 확인하였다.
 
 

 

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