DGIST, 리튬 금속 음극용 보호막 개발…배터리 수명 향상 기대

이홍경 교수·LG엔솔·이용민 교수 공동 연구

"차세대 고에너지 밀도 배터리 개발 기여 기대"

왼쪽부터 이홍경 에너지공학과 교수, 임민홍 석박사통합과정생 모습. ⓒ대구경북과학기술원

대구경북과학기술원(DGIST)은 리튬-황 배터리 수명을 향상 시킬 수 있는 '리튬 금속 음극용 보호막'을 개발했다고 18일 밝혔다.

DGIST에 따르면 이홍경 에너지공학과 교수는 LG에너지솔루션, 이용민 연세대학교 교수 연구팀과 공동으로 리튬-황(Li-S) 배터리의 수명을 획기적으로 연장할 수 있는 새로운 보호막 기술을 개발했다.

이번 개발로 리튬-황 배터리의 효율성과 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 지니고 있어, 차세대 고에너지 밀도 배터리 개발에 기여할 수 있을 것으로 DIGST 측은 기대하고 있다.

리튬-황 배터리는 기존 리튬이온 배터리를 능가하는 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있고 가격이 저렴하다. 그러나 리튬 금속 음극 불안정성과 전해질 소모 문제로 인해 수명이 짧다는 단점이 있다. 특히 리튬 금속 음극 표면에 쌓이는 덴드라이트(나뭇가지 모양의 결정체) 형성과 전해질의 빠른 소모는 배터리의 효율을 저하시켜 실용화에 큰 장애물이 되고 있다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘표면 적응형 이중층 보호막(APL)’을 개발했다. 보호막은 두 개의 층으로 구성돼 있다. 내부층은 리튬 금속 음극 표면에 잘 붙어, 음극이 변화할 때 이를 잘 따라가도록 돕는다. 외부층은 전해질과 리튬-황 배터리의 충‧방전 과정에서 생성되는 화합물인 리튬 폴리설파이드가 내부로 침투하지 못하게 막아주어 배터리의 성능과 수명을 개선한다.

APL은 리튬이 나가고 들어올 때 생기는 리튬 금속 음극의 큰 변화에 잘 적응해 보호막 기능을 오래 유지한다. 전해질 손실을 줄여 기존 배터리보다 두 배 이상 오래 사용할 수 있다. 이 보호막은 잘 늘어나고 표면에 잘 붙어 초기 리튬이 나올 때 보호막이 벗겨지는 것을 막아준다. 연구팀은 배터리 성능을 높이기 위해서는 벗겨지지 않게 하는 것이 중요하다고 강조했다.

이홍경 교수는 “이번 연구는 리튬황 배터리의 실용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 중요한 성과”라며 “향후 다양한 보호막 소재를 테스트해 최적의 조합을 찾는 연구를 지속할 것”이라고 말했다.