한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김일두 교수팀이 아주대 이지영 교수팀과 공동으로 물을 이용한 친환경 공법으로 리튬이차전지(배터리) 수명을 대폭 늘릴 수 있는 기술을 개발했다.
배터리는 전기차, 모바일기기 등에 필수적으로 사용되는 부품이지만, 그 소재로 사용되는 리튬 등 화합물로 인해 제조 및 폐기 과정에서 환경오염을 유발한다.
연구팀이 개발한 것은 높은 물리적 특성에도 불구, 배터리 소재로 쓰는데 한계가 있는 리튬 기반 음극재에 독자개발한 천연 보호막을 입혀 수명을 대폭 연장하는 동시에 환경보호에 일조할 수 있다는게 골자다.
현재 리튬음극재는 충방전을 반복하는 경우 리튬이온이 쌓이는 일명 덴드라이트 현상으로 인해 배터리 수명을 단축시킨다. 리튬 자체가 에너지밀도가 높아 음극재로 안성맞춤인데, 치명적 약점을 갖고 있는 셈이다.
연구팀은 이를 보완하기 위해 식물(구아검)에서 추출한 천연 고분자 화합물을 물에 녹인 뒤 전기방사(electron spinning)해 친환경 리튬보호막을 입힘으로써 덴드라이트를 억제, 수명을 대폭 늘리는 기술개발에 성공했다.
연구팀은 값비싼 재료 없이도 리튬이온 성장을 물리적·화학적으로 제어할 수 있는 중공(中空) 구조의 나노섬유 보호막을 개발, 수십 ㎚(나노미터·10억분의 1ｍ)∼수 ㎛(마이크로미터·100만분의 1ｍ) 굵기의 섬유를 실처럼 얇게 퍼뜨려 보호막을 만들었다.
게다가 구아검 단당류에 있는 산화 작용기가 리튬이온과 반응을 제어하는 역할을 하는 데, 유기용매 없이 물에도 잘 녹기 때문에 친환경 공정으로 제조할 수 있는 강점을 지닌다.
섬유 내부의 빈 곳은 리튬이온이 금속 표면에 무작위로 쌓이는 것을 막아 덴드라이트 형성을 억제, 기존 리튬 음극재보다 수명이 7.5배 정도 향상됨에 확인했다. 상용화애 대비해 300차례의 반복적인 충·방전 실험을 통해 93.3%의 안정적인 성능을 유지했다.
김일두 교수는 "보호막이 한 달 안에 흙에서 완전히 분해가 이루어져 제조에서 폐기에 이르기까지 전 과정이 환경친화적임을 입증했다"면서 "급증하는 배터리 수요로 인해 배터리 제조와 폐기로 인한 환경 문제해소에 크게 기여할 것"이라고 설명했다.
연구팀은 이 기술이 향후 물만 사용한 친환경적인 제조 방법과 자연 분해되는 특성을 바탕으로 차세대 친환경 배터리 상용화에 크게 기여할 것"이라고 기대했다. 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials) 지난달 21일 자 표지논문으로 실렸다.
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