KAIST, 고분자 보호막 적용해 리튬 금속 전지 수명 늘려

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100 나노미터 초박형 공중합체 고분자 보호막 개발
이차전지 '리튬 음극' 상용화 앞당길 가능성 제시

한국과학기술원(KAIST)의 김일두 신소재공학과 교수, 임성갑 생명화학공학과 교수 공동 연구팀이 리튬 금속 전지의 수명을 늘릴 가능성을 제시했다.

김일두 교수(왼쪽)와 임성갑 교수(오른쪽).(사진=KAIST)

리튬이차전지의 이상적인 음극 소재로 주목받는 리튬 금속은 현재 상용 배터리인 그라파이트 보다 10배 높은 용량을 가지고 있다. 하지만 충·방전 과정 중 리튬 덴드라이트라 불리는 바늘 구조의 침전물이 쉽게 형성되는 문제가 발생해 상용화되지 못하고 있다. 연구팀은 리튬이온전지의 전해액 속에서 고분자 화합물이 용매를 흡수해 부피가 증가해 ‘팽윤’되는 고분자 보호막을 적용해 문제를 해결했다.

우선 리튬 금속의 높은 반응성을 제어하고 덴드라이트 성장, 전해액 고갈 문제를 해결하기 위해 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법’이라는 공정을 이용했다. 리튬금속 표면에 손상 없이 보호막으로 적용되도록 용매를 사용하지 않는 온화한 조건에서 공정을 진행하며 기능성 고분자 박막을 얇게 균일하게 적용했다.

이후 고분자 박막으로 리튬 전극의 계면을 안정화했다. 전해액과 만나 3배 팽윤되는 고분자 보호막이 적용된 리튬 음극은 세계 최고 수준의 리튬 이온 운반율과 이온 전도도 특성을 보였다.

특히 100나노미터(nm)의 얇은 두께에서도 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 막았다. 또 피디멤스가 코팅된 리튬 음극과 상용화된 양극을 배터리 셀로 제조해 600 사이클 이상 안정적으로 구동했다.

김일두 신소재공학과 교수는 “고용량 리튬 이차전지뿐만 아니라 리튬·황 전지, 리튬·공기 전지와 같은 차세대 이차전지에도 필수적으로 쓰는 리튬 음극의 상용화를 앞당기는데 기여할 수 있다”고 했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 온라인 호에 지난 8일자로 출판됐다.

공중합체 고분자 보호막이 적용된 리튬 음극.(자료=KAIST)