완성차 메이커들의 잇단 전기차 시장 진출로 관련산업이 고속성장을 구가하고 있는 가운데 간간히 들려오는 배터리 폭발 사고와 그에 따른 차량 화재는 소비자의 구매욕구를 낮추는 불안요소로 남아 있다.
국내 연구팀이 이러한 전기차 배터리 폭발을 원천 봉쇄할 수 있는 획기적인 기술을 개발했다.
화제의 주인공은 포스텍 화학과 박수진 교수, 이정인 박사, 통합과정 조성진씨 연구팀. 박 교수님은 오랜 연구 끝에 기존에 사용되는 배터리 제조시스템을 변화시키지 않고도 손쉽게 리튬 금속 보호막의 제조에 성공했다.
특히 이 기술은 통상적으로 사용되는 카보네이트 계열 전해질에서도 높은 에너지 밀도를 안정적으로 구현할 수 있는 리튬 금속 배터리의 제조가 가능해 효용성이 더욱 탁월하다는 평가다.
이 같은 기술적 혁신성을 인정 받아 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈’ 온라인판에 최근 소개됐다.
리튬 금속은 높은 에너지 밀도를 구현해 낼 수 있는 배터리 음극 물질이다. 그러나 리튬 금속은 높은 반응성 때문에 카보네이트 계열 전해질에서 불안정한 반응을 일으키고, 결국 배터리의 안정성을 크게 저하시킨다는 고질적 한계를 가지고 있다.
연구팀은 이온화된 질산리튬이 정전기적 인력으로 결합된 미소결정입자 '마이셀(micelle)' 형태의 블록 공중합체(poly(styrene-block-2-vinylpyridine)) 보호막 제조를 통해 카보네이트 계열 전해질에서도 높은 안정성과 성능을 나타내는 리튬 금속 배터리를 구현했다.
연구 결과, 이 마이셀 보호막은 리튬 금속과 전해질의 직접적 접촉을 막아주면서 이온 전도성이 높은 고체 전해질 계면을 형성시키며, 초기 전착(electrodeposition)되는 리튬의 모형을 안정적으로 유도했다. 게다가 일반적인 카보네이트 계열 전해질을 사용하더라도 높은 온도에서 100 사이클이 넘는 안정적 효율을 유지하는 것으로 나타났다.
또 얇은 두께의 리튬 음극(40μm)과 높은 면적 용량(4.0mAh/㎠), 높은 전류밀도(4.0mA/㎠)를 이용한 가혹 조건에서의 평가에서 300 사이클이 넘도록 장시간 수명 안정성을 보였음은 물론 파우치 형태의 평가에서도 유사한 성능을 보였다.
박수진 교수는 “리튬 금속 음극은 높은 에너지 밀도를 구현해 차세대 음극 물질로 각광 받는 물질이지만 안정성이 너무 좋지 않아 상용화에 어려움이 있었다”며, “일반적으로 리튬 음극 배터리는 카보네이트 계열 전해질에서는 상대적으로 안정성이 좋지 않은데 이번 연구에서 이런 문제를 해결했다”고 설명했다.
박 교수는 이어 "이 기술을 통해 파우치 셀 제작과 같이 대면적화에 적합하고, 고온에서도 안정적으로 구동되는 리튬 금속 배터리 시스템 개발이 기대된다”고 밝혔다.
