식물성 소재로 배터리 수명을 7.5배 늘렸다

KAIST, 리튬금속 배터리 보호막 개발
식물성 재료로 만들어 자연분해 가능

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김일두 교수팀과 아주대 이지영 교수팀이 함께 개발한 보호막이 리튬금속 배터리에서 리튬이 자라나는 것을 막아 오래 사용할 수 있도록 만들었다. 이 사진은 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'의 표지. KAIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김일두 교수팀이 아주대 이지영 교수팀과 함께 새로운 보호막을 개발해 리튬금속 배터리의 수명을 7.5배 늘렸다. 이 보호막은 식물에서 추출한 소재로 나노섬유로 만들었으며, 만드는 과정도 물을 이용해 친환경적이다.

2일 KAIST에 따르면, 새로운 보호막을 리튬금속 음극에 감싸 실험한 결과 세계 최고 수준의 성능을 달성했다. 기존 리튬금속 음극보다 수명이 약 750% 향상됐으며, 300회의 반복적인 충·방전에도 약 93.3%의 용량을 안정적으로 유지했다.

또한 식물성 재료로 만든 보호막은 흙에서 약 한 달 내에 완전히 분해돼 보호막의 제조에서 폐기에 이르기까지 전 과정이 친환경적임을 입증했다.

김일두 교수는 "물리적·화학적 보호막 기능을 모두 활용했기 때문에 효과적으로 리튬금속과 전해액 간의 가역적인 반응을 유도하고, 수지상 결정 성장을 억제해 배터리를 오래 사용할 수 있도록 리튬금속 음극을 개발할 수 있었다"고 말했다. 그러면서 "급증하는 배터리 수요로 인해 배터리 제조와 폐기로 인한 환경 문제가 심각하게 대두되고 있는 상황에서, 물만을 사용한 친환경적 제조 방법과 자연 분해되는 특성은 친환경적인 차세대 배터리의 상용화에 기여할 것"이라고 덧붙였다.

배터리에서 보호막은 리튬 금속 표면을 얇게 감싸 보호하는 역할을 한다. 배터리는 충전할때 음극에 리튬이온이 달라붙는 모양이 나뭇가지처럼 자라나 분리막을 뚫고 양극에 닿아 성능이 떨어지거나 화재나 폭발이 일어나기도 한다.

식물성 재료를 이용해 만든 보호막은 흙 속에서 자연 분해돼 친환경적이다. KAIST 제공

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 섬유 속이 빈 중공구조 나노섬유로 보호막을 만드는 방법을 개발했다. 이 보호막은 구오콩에서 추출한 고분자 '구아검'을 주요 재료로 사용하고 제조과정도 물을 활용했다.

구아검을 얇은 실처럼 뽑아내는 전기방사 공법이라는 친환경적인 방법으로 보호막을 만든 것이다. 즉, 물은 구아검을 녹여 전기방사 공정에 사용되는 용매 역할을 하며, 이 과정에서 물은 증발하고 구아검만 남아 나노섬유를 형성한다.

이 보호막은 나노섬유 내부의 빈 공간을 활용해서 리튬이온이 금속 표면에 무작위로 쌓이는 것을 억제하게 만들었다. 또한 리튬금속 표면과 전해액 사이의 접촉면을 안정적으로 유지한다.

한편, 연구진은 이 리튬금속 배터리 보호막을 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 발표했으며, 학술지에서는 우수한 성과를 인정해 표지논문으로 선정했다.

[e-mail] 김만기 기자