하지만 현 흑연(그래파이트) 음극소재의 리튬이온 배터리는 이론적 한계가 다다르고 있어 차세대 배터리 개발이 한창이다.
차세대 배터리 중 하나로 꼽히는 리튬금속이온 배터리는 음극소재 개선만으로도 에너지밀도를 2배 이상 향상시킬 수 있어 주목을 받고 있다. 하지만 충방전 과정에서 금속 표면에 생기는 수지 결정(덴드라이트)이 단락을 일으킬 수 있는 점은 아직 연구계의 해결과제이다.
미국 스탠퍼드대 화학공학과 대학원에 재학 중인 김문석 박사생(1992년생)은 리튬금속 배터리의 성능 향상에 도움을 줄 수 있는 배터리 내 산화리튬(Li₂O)의 영향과 작동 원리를 규명하는 논문 ‘리튬이온 용매화 환경이 조정된 리튬금속전지의 현탁 전해질(suspension electrolyte)에 관한 연구’를 발표해 지난 18일 재료과학 분야 세계적 학술지인 네이처 머티리얼즈에 실리는 영예를 안았다.
김 박사생의 논문명은 ‘리튬이온 용매화 환경이 조정된 리튬금속전지의 현탁 전해질에 관한 연구’(Suspension electrolyte with modified Li+ solvation environment for lithium metal batteries)이다. 김 박사생이 제1저자로 참여했고, 지도교수인 이 추이(Yi Cui) 교수가 도움을 줬다.
이번 연구의 목적은 리튬금속이온 배터리의 전해질과 SEI(Solid-Electrolyte interphase)의 상호작용 원리를 규명하는 것이다. SEI는 전해질과 전극의 반응으로 극 표면에 생기는 필름 현상이다. 이 표면 특성이 리튬이온의 이동에 영향을 주기 때문에 배터리 성능에서 매우 중요하다.
김 박사생은 “열역학적으로 리튬금속 음극은 모든 전해질과 반응할 수밖에 없는데 이로 인해 전극 활물질과 전해질의 표면에 SEI라는 필름이 형성된다. 충전 과정에서 양극의 이온이 음극으로 들어갈 때 표면을 거쳐야 하기 때문에 표면 반응이 중요하다. 전해질이 표면 특성을 다 바꾸기 때문에 배터리에서 전해질이 가장 중요하다”고 설명했다.
김 박사생은 이번 연구를 위해 현탁 전해질(suspension electrolyte)을 설계했다. 현탁액이란 작은 알갱이들이 용해되지 않은 채 액체 속에 퍼져 있는 혼합물을 의미한다.
현탁 전해질은 나노 크기의 산화리튬 입자를 이용해 기존 전해질보다 SEI 상의 무기물 비율이 유기물 비율보다 높게 만들었다. 이를 통해 무기물이 풍부한 SEI가 전기화학적 성능을 향상시킨다는 것을 밝혀냈다. 또한 SEI는 전해질 리튬이온 용매화 구조가 부식되는 과정에서 생성된 ‘불용 부산물’이라는 것도 밝혀냈다. 이 사실은 SEI가 단순한 전해질의 부식물이라는 기존 인식과 차이가 있다.
김 박사생은 “메탈음극의 전기화학적 성능은 전해질의 균질함과 무관하고 오히려 SEI에 따라 달라진다는 것도 밝혀냈다”며 “향후에는 기존의 균질한 전해질을 사용하기보다 이종 전해질을 합성해 만든 현탁 전해질을 적용하는 것이 고성능과 실용성을 겸비한 리튬금속전지 개발에 기여할 것”이라고 설명했다.
현재 차세대 배터리는 크게 2가지 방향으로 개발되고 있다. 김 박사생이 연구하는 리튬금속이온 배터리와 전고체 배터리이다. 전고체 배터리는 전해질을 액체가 아닌 고체로 사용하는 것으로 이를 통해 화재 위험성이 크게 줄어 보다 다양한 극 소재를 사용함으로써 밀도를 높이는 방식이다.
김 박사생은 전고체 배터리에 대해 회의적 시각을 보였다. 그는 “기본적으로 성능이 좋으면서도 안전한 배터리는 만들기 힘들다. 왜냐면 성능이 좋다는 것은 에너지밀도가 높다는 것이고 이것은 위험하다는 것과 같은 의미이기 때문”이라며 “또한 전고체 배터리는 셀 압축이 잘 안 되기 때문에 레이어를 만들기 힘들어 에너지밀도를 높이기가 힘들다”고 설명했다.
김 박사생은 대학원 졸업 이후 미국 실리콘밸리에 있는 배터리 관련 기업에 취업할 계획이라고 한다.
그는 “현재 배터리산업으로 자금이 많이 들어오고 있어 인더스트리(산업)로 가기에 좋은 타이밍이고 훨씬 더 가능성이 많을 것으로 보고 있다”며 “스탠퍼드 지역이 너무 좋아서 실리콘밸리 기업으로 들어갈 계획이다”라고 말했다.
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