리튬금속전지 1500번 사용해도 변형없는 분리막 개발

한양대-KIST, 리튬금속전지 분리막 개발 다공성으로 만들어 전지 성능저하 차단

[파이낸셜뉴스] 한양대 화학공학과 염봉준 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 손정곤 박사팀이 리튬금속전지가 부풀어 올라 수명이 짧아지는 것을 막는 분리막을 개발했다. 이 분리막은 리튬금속전지를 1000번 이상 최대 1500번까지 충방전을 반복해도 안정적으로 작동하게 했다.

염봉준 교수는 "이 분리막을 대면적으로 만들 수 있는 기술만 확보된다면 차세대 분리막으로 즉각 활용될 수 있다"고 말했다.

리튬금속전지는 현재 쓰이고 있는 리튬이온전지보다 용량이 10배가 넘는다. 하지만 충방전 과정에서 리튬 표면에 돌기가 형성되는 덴드라이트 현상이 일어난다. 이 때문에 전지 성능을 떨어뜨려 수명을 단축시킨다. 또한 양극과 음극이 직접 접촉하는 단락이 이뤄져 전지가 폭발하는 등의 안전성 문제로 아직까지 상용화가 이뤄지지 못하고 있다.

30일 한양대에 따르면, 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 고강도 섬유인 아라미드를 이용해 다공성 분리막을 만들었다. 이 분리막의 핵심은 97% 이상의 높은 공극률이다. 분리막이 매우 미세한 구멍으로 이뤄져 있어 전체 부피중 빈공간이 97%에 달한다는 의미다. 아라미드 나노섬유로 분리막을 만드는 과정에서 에탄올과 물을 순차적으로 사용해 공극률을 최대화했다.

이 분리막은 음극쪽에 리튬금속 알갱이가 나뭇가지모양처럼 쌓이는 덴드라이트 현상을 막아 양극과 음극이 직접 닿지 못하게 한다. 또한 미세한 구멍으로 리튬이온만 빠르게 통과시킨다. 리튬이온이 분리막을 통과해 양극과 음극간 이동하는 이온전도도가 최대 4.04 mS/㎝를 기록했다.

이 분리막으로 만든 전지는 안정적인 전기화학적 특성, 높은 열적 안정성, 높은 이온 전도도를 가지는 등 전지의 수명과 안전성을 높였다. 특히, 고속으로 충방전을 1000회까지 해도 안정적으로 작동했으며, 이 후에도 초기 용량의 86%를 유지했다.

연구진은 이번에 개발한 분리막을 재료분야 저명 국제학술지 '스몰(Small)'에 발표했으며, 학술지 표지논문으로 선정됐다.

[e-mail] 김만기 기자