한국기초과학지원연구원(이하 기초연) 소재분석연구부 김해진 박사팀이 기존 흑연 음극의 낮은 에너지 밀도를 개선하기 위한 고에너지 리튬 이온 금속 하이브리드 이차전지 소재를 개발했다고 17일 밝혔다.
이번에 개발한 리튬이온 금속 하이브리드 음극물질은 안정적인 금속기반 고에너지 음극을 개발하기 위한 고체전해질계면(SEI)층 연구에 새로운 전환점이 될 전망이다.
연구팀은 리튬금속 석출로 인한 음극 열화를 방지하기 위해 SEI층에 은 나노점을 고정해 전기접촉을 유지하는 방법으로 리튬금속과 탄소의 하이브리드 음극소재에서 높은 전류 효율과 장기 안정성을 개선하는 효과가 있음을 증명했다.
리튬금속은 이차전지의 높은 에너지밀도를 달성하기 위한 궁극의 음극물질로, 이론상 최고 용량이 3860mAh/g으로 이차전지 중 가장 많이 사용되는 흑연음극 370mAh/g의 10배 이상이다.
그러나 리튬금속 음극은 큰 부피 변화, 셀 단락에 따른 열 폭주 및 불안정한 쿨롱효율(CE) 등 낮은 순환 안정성이 단점이다.
이에 연구진은 리튬석출 및 박리과정 중 큰 부피 변화로 탄소기반 호스트 재료 사이의 전기접촉이 끊기는 것을 하이브리드 음극 성능 저하의 주요 원인이로 가정하고, 리튬금속 음극의 전체 용량과 순환 안정성 사이 균형을 맞추기 위해 하이브리드 리튬이온 및 금속음극 시스템을 제안했다.
그 결과 고용량 리튬이온 금속하이브리드 음극의 열화는 주로 큰 부피 변화로 인한 구조적 변형 때문이란 사실을 규명했다.
아울러 이번 연구에서 구형탄소 호스트 재료를 사용한 리튬이온 및 하이브리드 음극의 사이클 안정성을 조사한 결과 구조변형으로 탄소 호스트는 전기적 비활성화가 발생해 전기적으로 분리되는 현상을 관찰했다.
이는 리튬화 및 탈리화 과정 중 음극의 구조적 변형으로 탄소 호스트의 전기적 비활성화를 초래해 전기접촉을 잃게 만든다는 원인을 입증했다.
이어 연구팀은 이를 해결하기 위해 SEI층에 은 나노입자를 고정해 접촉 손실을 억제하는 방법으로 구형 탄소에서 석출된 리튬금속 표면에 생성된 SEI 층이 탈리화 후에도 서로 인접하게 유지될 가능성이 있고, 전기 전도성을 가질 경우 큰 부피 변화로 분리된 탄소 호스트 사이 전자 전달경로 역할을 할 수 있음을 증명했다.
김 박사는 “음극에 리튬이 석출되는 상황에서 전극이 열화되는 메커니즘을 규명하고 충방전 중 음극 활물질 표면에 발생하는 SEI층에 전도성을 부여함으로써 전극 열화를 예방할 수 있음을 발견했다”며 “향후 급속충전 시 발생하는 음극 내 리튬 석출로 인한 전극 열화현상을 개선하는 후속 연구를 진행할 계획”이라고 설명했다.
