[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 광주과학기술원(GIST)은 차세대에너지연구소 연구팀이 기존 리튬이온전지보다 에너지 저장 밀도를 2배 이상 높이고 약 12분 만에 완전 충전이 가능한 리튬금속전지 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

연구팀은 리튬이 음극 표면에 고르게 쌓이도록 유도하는 3차원 구조체를 설계해 리튬금속전지의 주요 문제점을 해결했다. 기존 리튬금속전지는 충·방전 과정에서 리튬이 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라는 '덴드라이트'가 발생해 배터리 내부 분리막을 손상시키고 부피 팽창을 일으켜 수명과 안전성이 저하되는 문제가 있었다.

연구팀이 개발한 구조체는 가볍고 내구성이 뛰어난 고분자 소재인 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)로 내부에 빈 공간이 많은 구조를 만들고, 전기가 일부만 통하는 고분자 폴리피롤을 코팅했다. 특히 구조체 표면을 전기가 통하지 않도록 설계해 리튬이 표면이 아닌 내부에서부터 차곡차곡 쌓이도록 유도했다. 이를 통해 리튬이 아래쪽부터 '바텀업' 방식으로 쌓이게 함으로써 덴드라이트 형성과 부피 팽창을 동시에 억제했다.

개발된 기술의 성능을 검증한 결과, 기존의 구리 집전체 기반 리튬 음극이나 일반적인 다공성 구조체는 약 80회 충·방전 이후 성능이 급격히 저하되지만, 연구팀의 구조는 200회 이상 반복 사용 후에도 초기 용량의 94.7%를 유지했다. 고속 충전 조건(5C, 약 12분 충전)에서도 충·방전 과정 중 부피 팽창이 관찰되지 않았다.

이 기술은 간단한 용액 공정만으로 고분자 코팅과 표면 절연 처리를 동시에 구현할 수 있어 대면적 생산에 유리하다. 전기자동차 배터리, 에너지저장장치(ESS), 항공 모빌리티용 배터리 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.

연구 결과는 국제학술지 '에너지 앤 엔바이런먼탈 머티리얼스(Energy & Environmental Materials)'에 지난달 29일 온라인으로 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받았다.

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