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Title [한국연구재단] (연구성과)이차전지에 금속유리 코팅해 수명 늘렸다

이차전지에 금속유리 코팅해 수명 늘렸다 

- 세계 최초로 음극재 소재에 금속유리 적용해 에너지 밀도 향상 - 

□ 국내 연구진이 세계 최초로 금속유리를 이용한 이차전지 음극 소재를 개발해 배터리 성능을 획기적으로 높일 수 있게 됐다.

 

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 한국기술교육대학교 김석준 교수 연구팀이 금속유리*를 이차전지의 집전체**와 리튬 음극 표면에 코팅하여 무음극 및 리튬메탈 이차전지***의 수명을 향상하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

* 금속유리 : 금속을 녹인 후 녹는 점 이하로 급속하게 과 냉각하면 금속 원자들의 배열구조가 마치 유리처럼 무질서해지는 상태(비정질)의 합금. 골프 헤드나 테니스 라켓, 휴대폰 케이스 등에 많이 사용한다.

** 집전체 : 배터리 내부에 있는 약 10㎛ 두께의 얇은 막으로 충․방전 시 전기적 반응(전자의 이동)이 일어날 수 있도록 돕는 요소. 음극과 양극에 따라 각각 적합한 소재가 달라진다.

*** 무음극 및 리튬메탈 전지 : 무음극 전지는 음극재가 없는 배터리를 의미하며, 리튬메탈 전지는 음극 소재인 흑연을 리튬메탈로 대체한 전지다. 모두 부피와 무게를 많이 차지하는 음극 소재에 대한 연구에서 출발한다.

 

□ 전기차와 친환경 모빌리티 등 이차전지 수요가 크게 증가함에 따라, 현재, 가장 많이 사용하는 리튬이온 전지보다 용량이 크고 충전이 빠른 차세대 이차전지 필요성이 높아지고 있다.

○ 특히, 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해 부피와 무게를 많이 차지하는 음극재를 없애거나, 기존 음극재의 소재인 흑연을 리튬메탈 등으로 대체하는 기술 연구가 활발하다.

○ 이와 같은 무음극 전지나 리튬메탈 이차전지는 일반적인 리튬 이온 전지에 비해 중량 에너지 밀도를 약 1.5배 높일 수 있다.

○ 하지만, 리튬메탈이 지속적으로 전해질에 노출되고, 전해질과의 부반응으로 인해 리튬이 소모되어 전지 수명이 단축된다는 단점이 있었다.

 

□ 김석준 교수 연구팀은 유리처럼 무질서한 원자 배열구조를 가진 합금인 금속유리가 이차전지에서 최적의 코팅 물질임을 규명했다.

○ 기존 음극재 코팅 물질로 폴리머, 산화물, 결정질 금속 등에 대한 연구는 있었지만 금속유리를 적용한 연구는 세계 최초이다.

○ 연구팀은 금속유리가 액체와 유사하게 원자 배열에 규칙성이 없어서 결함이 매우 적기 때문에 균일한 표면을 갖고 내부식성 또한 매우 우수하다는 점에 주목했다.

○ 이 물질을 집전체 및 리튬메탈 음극 표면에 코팅함으로써 충전 시 균일한 리튬 증착을 유도하였고, 그 결과 충전된 리튬과 전해질 간 접촉면적을 최소화해 셀 성능을 향상하는 데 성공했다.

 

□ 또한, 금속유리는 우수한 내산화성으로 산화와 환원 반응이 활발히 일어나는 이차전지 내에서 리튬메탈 음극의 보호막 역할을 하여 전해질과의 부반응을 억제, 셀 수명을 획기적으로 향상시켰다.

 

□ 김석준 교수는 “현재 상용화된 이차전지를 제조하는 환경에서도 금속유리가 코팅된 리튬메탈을 적용할 수 있어서 리튬메탈 이차전지의 양산화에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야기초연구사업(기본연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 표면 및 계면 분야 국제학술지 ‘스몰 (Small)’에 5월 8일 게재되었다.
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국내 기술동향
Category Tech trends(Korea)
Source 한국연구재단
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