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기술자료 KAIST, '음극재 없는 리튬전지' 구현 위한 음극집전체 구조 개발

헬로티 조상록 기자 | KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 음극재가 없는 고에너지밀도 리튬 배터리 구동을 위한 음극 집전체 구조를 개발하고, 그 작동원리를 규명했다. 음극재가 없는 리튬 전지(Anode-free Li battery)는 휴대용 전자기기와 전기자동차에 사용되는 리튬이온전지의 많은 부피와 무게를 차지하는 흑연 음극재를 없앤 차세대 구조의 전지다. 대신에 음극 활물질을 저장해두는 구리 집전체만이 음극 부품으로 들어가며, 집전체 위에 높은 에너지밀도를 가지는 리튬 금속 형태로 에너지가 저장된다. 음극재가 없는 리튬 전지는 기존 리튬이온전지와 비교해 60% 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있다는 점 때문에 산업계와 학계에서 활발하게 연구가 진행되고 있다. 하지만 리튬 이온이 흑연에 저장되지 않고 리튬 금속 형태로 음극에 저장될 경우, 리튬 금속의 수지상 성장으로 인해 지속적으로 비가역적인 리튬의 손실이 발생하며 충·방전 효율을 크게 떨어뜨리는 문제점이 발생한다. 또한, 반응성에 차이가 있는 구리와 리튬 사이에 미세전류가 흐르면서 리튬의 부식과 동시에 구리 표면에서 전해액이 분해되는 '갈바닉 부식(Galvanic corrosion)'이 발생한다

조상록 기자

2021-10-07 18:15

일반뉴스 리튬금속전지용 고효율 리튬 저장 기술 개발돼...저장용량 10배↑

헬로티 이동재 기자 | 한국전기연구원(이하 KERI) 차세대전지연구센터 김병곤 박사가 리튬금속전지용 고효율 리튬 저장 기술을 개발했다. 관련 논문은 저명 국제학술지에 게재됐다. 기존 리튬이온전지는 흑연으로 이루어진 음극에 리튬 이온을 삽입해 에너지를 내는 구조로, 스마트폰과 노트북 등 전자기기의 전력원으로 널리 사용되어 왔지만, 흑연 자체의 무게와 부피로 인해 높은 저장 에너지를 확보하는 데에 한계를 가지고 있었다. ‘리튬금속전지’는 리튬금속 자체를 음극으로 사용하는 전지다. 리튬금속 음극은 기존 흑연(372mAh/g) 음극과 비교해 이론상 저장용량이 10배 이상(3860mAh/g) 높아 전기차 등 대용량 전지가 필요한 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 하지만 리튬금속 역시 충·방전을 거듭할수록 나뭇가지 모양의 수지상 결정이 형성되어 부피가 커지고, 전지의 수명 저하와 화재·폭발 등의 위험성으로 이어진다는 치명적인 문제를 가지고 있다. KERI 김병곤 박사는 리튬 친화성 물질인 ‘금’ 나노 입자가 내부에 소량(무게 비 1%) 포함된 ‘코어-쉘(Core-Shell)’ 구조의 ‘탄소 나노 파이버’를 제작했고, 코어 내부에 리튬을 선택적으로 저장함으로써 리튬 전·탈

이동재 기자

2021-09-13 14:08

일반뉴스 KETI, 황화물계 전고체전지 소재 기술 개발...“유해가스 발생 1/3 수준”

헬로티 이동재 기자 | 한국전자기술연구원(이하 KETI)은 전고체전지 핵심 소재인 황화물계 고체전해질의 황화수소 가스 발생량을 저감하는 소재 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 전고체전지는 기존 리튬이온전지의 양극과 음극 사이를 채우고 있는 액체 전해질을 고체로 바꾼 전지로서, 폭발 위험이 없어 안전하면서도 기존 전지에 비해 에너지 밀도가 높아 차세대 전지로 주목받고 있다. 고체전해질을 구성하는 핵심 소재로는 폴리머·황화물·산화물 등이 있지만, 그중에서도 연성이 크고 이온 전도도가 높은 황화물계 고체전해질이 고용량 대형 전지 제조에 적합한 것으로 평가받는다. KETI 차세대전지연구센터에서 개발한 소재 기술은 고체전해질에 제올라이트 나노입자를 소량 첨가·합성함으로써 황화수소 발생을 감소시키는 것이 핵심으로, 대기 내 수분과 황화수소 가스를 동시에 흡착하는 제올라이트의 특성을 활용했다. 황화물계 고체전해질은 수분에 대한 반응성이 높아 유해가스인 황화수소가 발생한다는 단점이 있고, 결국 전지 성능 저하 및 전지 제조 공정에서 취급을 어렵게 하는 걸림돌로 작용해왔다. 본 기술을 적용하면 대기 노출 시에도 황화수소 발생량이 1/3 수준으로 감소되어 전해질 소재의 열화를

이동재 기자

2021-08-12 10:16

일반뉴스 ETRI, 고체 전해질 없는 새로운 이차전지용 양극 개발

헬로티 함수미 기자 | 국내 연구진이 지난해 새로운 전고체(All-Solid-State) 이차전지용 음극 구조를 개발한 데 이어 양극 구조까지 개발하는 데 성공했다. 본 기술은 안전하면서도 성능이 높은 전고체 이차전지를 구현하는 데 큰 도움이 될 전망이다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 고체 전해질 없이 활물질로 이황화티타늄(TiS2)만을 사용해 양극을 구성하는 새로운 전극 구조를 개발했다고 밝혔다. 본 성과는 지난달 '에너지 스토리지 머티리얼즈' 학술지에 온라인으로 등재되며 우수성을 입증받았다. 전고체 이차전지는 배터리에서 이온을 전달하는 전해질로 고체를 적용한 차세대 전지다. 고체 전해질은 가연성이 있는 액체 전해질보다 화재로부터 안전하다. 또한, 리튬이온전지에서는 구현이 불가한 바이폴라형 이차전지를 만들 수 있어 에너지 밀도 향상에도 유리하다. 전고체 이차전지의 양극은 주로 전자 전도를 담당하는 도전재, 이온 전도를 담당하는 고체 전해질, 에너지 저장을 담당하는 활물질, 그리고 이들을 물리적, 화학적으로 잡아주는 바인더로 구성된다. 전극 안에서 리튬이온이 원활하게 이동하도록 만들기 위해서는 고체 전해질이 꼭 필요했다. 하지만 고체 전해질 구성비가 늘어나

함수미 기자

2021-07-13 09:52