국내 연구팀이 리튬 금속 전지의 수명을 개선하는 나노 입자 전해질을 개발했다. 리튬 금속 전지는 리튬 금속을 음극으로 사용한다. 리튬 금속은 에너지 밀도가 높아 차세대 배터리로 주목받지만 상용화를 위해 수명을 늘려야 한다는 과제가 있다.

한국연구재단은 한국과학기술원(KAIST) 이진우·최남순 교수 연구팀, 경상국립대 이태경 교수 연구팀이 공동으로 리튬 전지의 낮은 수명을 개선하는 나노 입자 전해질을 개발했다고 10일 밝혔다. 이 나노 입자 전해질로 리튬 금속 전지를 고속 충·방전하고 전압 성능도 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다.

리튬 금속 전지가 높은 에너지 밀도를 유지하기 위해서는 음극과 양극 비율 조건을 맞춰야 한다. 그런데 이 조건에서는 리튬 금속 전지의 수명이 낮아진다는 한계가 있었다. 리튬 금속 전지가 전압이 높을 때 쉽게 부식된다는 문제도 있었다.

그동안 리튬 금속 전지의 수명을 개선하기 위해 리튬이 오가는 통로가 되는 전해질에 함량이 높은 불소 성분을 첨가했다. 이 방식은 가격이 비싸고 환경이 오염된다는 문제가 있었다. 리튬 금속 전지의 핵심 성능이 저하되는 현상이 나타날 때도 있었다.

공동 연구팀은 리튬 금속 전지의 핵심 성능을 유지하면서도 수명을 개선하는 나노 입자 전해질을 개발했다. 전해질에 비불소계 나노 질화규소를 첨가해 리튬 이온의 용매화(溶媒化) 구조를 정밀하게 조절한 것이다. 리튬 이온이 액체 속에서 안정적으로 있도록 했다. 또 무기물이 풍부하고 안정적인 고체 전해질 계면층을 만들었다. 고체 전해질 계면층은 리튬이 전해질과 반응하며 생기는 얇은 보호막으로 리튬 금속을 보호한다.

이런 방법으로 리튬 금속 전지가 높은 에너지 밀도, 고속 충·방전, 고전압 환경에서도 성능을 유지하며 수명을 개선할 수 있다고 연구팀은 설명했다. 이진우 교수는 “하나의 비불소계 첨가제에서 다기능성을 구현하고 파우치형 배터리에서 나노 입자 전해질을 최초로 확인했다”고 했다.

이 기술을 전기차 배터리, 항공 우주용 배터리에 활용할 수 있다. 이번 연구는 에너지 학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스’에 지난 2월 실렸다.

참고 자료

Energy & Environmental Science(2025), DOI : https://doi.org/10.1039/d4ee03862b