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티오요소의 리튬질산염 분해 촉진 원리 및 전기화학 표면처리법 도안, 집전체의 전기표면처리 유무에 따른 리튬 금속 도금 형상 및 완전 셀 성능 비교. |
[대학저널 온종림 기자] 지스트(광주과학기술원) 신소재공학부 엄광섭 교수팀이 구리 집전체의 전기화학적 전처리를 통해 리튬금속 전지의 용량 유지율 및 내구성을 대폭 향상시키는 기술을 개발했다.
‘리튬금속 전지’는 이론적으로 리튬이온 전지보다 10배 높은 용량을 구현할 수 있어 고에너지 밀도*를 구현하기 위한 차세대 이차전지 시스템으로 각광받고 있다.
그러나 리튬금속 전지는 충·방전 중 리튬의 수지상 결정* 성장이 일어나면서 분리막*을 뚫고 전지의 단락을 일으키는 현상이 일어나며, 지속적인 전해질 분해 및 리튬 금속 손실이 일어나 충‧방전 효율이 빠르게 감소하는 등 안전성과 내구성 문제로 상용화되지 못했다.
연구진은 유기 전해질 내에서 티오요산(Thiourea)의 리튬 질산염(LiNO3) 분해 촉매 효과를 최초로 규명하고, 이를 이용한 간단한 전기화학적 공정을 통해 리튬금속 전지 음극에 사용되는 구리 집전체 표면에 무기물이 풍부한 인공 고체막을 형성했다.
인공 고체막의 강한 물성과 이온 전도성에 의해 전지의 성능과 내구성을 떨어뜨리는 리튬 수지상 결정 성장이 억제되는 효과가 있었으며, 이는 리튬 질산염의 촉매적 분해로 생긴 다량의 무기물 때문임이 확인되었다.
연구진은 개발한 구리 집전체를 사용한 리튬 금속 음극을 사용한 결과, 기존 구리 집전체 대비 약 2.5배 높은 용량 유지율 및 4배 이상의 수명을 갖는 리튬금속 전지를 제조하는데 성공했다.
엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 소량의 전해질 첨가제와 간단한 전기화학 표면처리로 리튬금속전지 음극용 집전체로 사용할 수 있는 충분한 안정성을 확보했다는 데에 큰 의의가 있다”면서 “향후 고에너지 리튬금속전지를 장착한 전기자동차의 상용화에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구 성과는 재료 공학 분야 국제 저명 학술지인 「스몰(Small)」에 2023년 3월 22일자로 온라인 게재됐다.
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