리튬금속전지 사용 시 쌓이는 덴드라이트 형성과 성장 억제
(내외방송=정지원 과학전문 기자) 전기가 통하는 액체인 '액상 전해질'을 사용해 차세대 배터리의 안정성과 수명을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술이 개발돼 다양한 전기화학 분야에서 활용될 전망이다.
DGIST(대구경북과학기술원)는 22일 '내외방송'에 보낸 자료에서 "이홍경, 이용민, 이호춘 에너지공학과 교수 공동 연구팀이 액상 전해질을 동적인 상태로 만들어 차세대 리튬금속전지의 난제인 덴드라이트 성장 문제를 해결하고, 차세대 전지 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.
리튬금속은 가볍고 부피가 작아 차세대 2차전지(재충전 가능한 전지)의 재료로 각광받고 있지만, 표면에 쌓이는 나뭇가이 모양의 결정체인 덴드라이트가 생성된다는 문제를 해결하지 못했다.
연구팀은 전지 내에 정적인 전해액을 동적으로 만들어 줄 수 있도록 외부 자기장에 감응하는 나노(매우 작은) 크기의 교반 막대(NSB, 물질을 균일하게 섞어 화학 반응 등을 촉진하는 막대)를 제작하고, 이를 전해액에 첨가해 미세한 대류(흐름)을 발생시켰다.
외부에 회전 자기장을 발생시키면 원격으로 동력을 전달해 전해액 곳곳에 분포된 교반 막대를 회전시킬 수 있다.
이를 통해 이온 수송이 빨라지고, 기존 대비 32% 가량 이온 확산을 줄일 수 있어 균일한 이온 수송이 가능해진다.
이렇게 만들어진 동적 이온 수송은 리튬 이온을 빠르고 균일하게 수송할 수 있어 덴드라이트 형성과 성장을 억제시키는 데 효과적일 뿐만 아니라 충전 속도도 빨라졌다.
따라서 연구팀이 개발한 전해액으로 리튬금속전지를 제작한 후 외부에 회전자기장을 발생시키면 기존 대비 수명 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 것이다.
이홍경 교수는 "이 연구는 교반 막대를 통해 기존에 시도되지 않았던 동적인 전해액을 구현하고, 전해액 연구 패러다임을 바꿀 수 있는 신개념 전해액 시스템"이라며 "액상 전해질을 사용하는 다양한 전기화학 시스템에 즉시 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.
이 연구는 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐으며 재료공학 분야 국제학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난 7월 발표됐다(논문명: Dynamic Ionic Transport Actuated by Nanospinbar-Dispersed Colloidal Electrolytes Toward Dendrite-Free Electrodeposition).
