경상국립대학교 정현영 교수, 인하대학교 함명관 교수, 제1저자인 센틸 천라얀 박사. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 정현영 교수팀과 인하대학교 함명관 교수팀이 공동 연구를 통해 배터리 기술에서 50여 년간 숙원이던 리튬 금속 배터리의 수지상 성장 문제를 해결할 기술을 개발했다.

연구 결과는 재료과학 분야 상위 7%의 학술지 '스몰(Small)'(IF=13.281) 최신호에 '수지상이 없는 금속 배터리를 위한 리튬 친화적인 그래핀 양자점을 이용한 견고하고 매우 부드러운 리튬 금속 계면(Robust, Ultrasmooth Fluorinated Lithium Metal Interphase Feasible via Lithiophilic Graphene Quantum Dots for Dendrite-Less Batteries)'이라는 제목으로 게재됐다.

또한, 이 연구결과는 연구는 '어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials)'(IF=30.849)의 핫 토픽(Hot topic)으로도 선정됐다.

1970년대 미국의 스탠리 휘팅엄 교수가 고안한 리튬 금속 배터리는 3860mAh/g의 이론 용량을 나타내며 현행 리튬이온 배터리(372mAh/g)에 비해 10배 이상의 용량을 갖는다. 하지만 현재까지 리튬 금속 배터리는 많은 연구에도 불구하고 수지상이라는 한계를 넘지 못하고 있다.

리튬 금속 배터리는 충·방전을 거듭할수록 리튬 표면에 나뭇가지 모양으로 리튬이 자라나는데 이를 '수지상(樹枝狀) 성장(成長)'이라고 한다. 수지상은 금속 배터리가 작동될 때 음극 표면에 바늘처럼 자라 분리막을 뚫고 배터리를 파괴해 성능 및 안전성을 해치는 문제로 여겨지고 있다. 50여 년간 많은 연구진이 풀기 위해 노력했지만 해답을 찾지 못했다.

하지만 공동 연구팀이 개발한 리튬 친화적인 그래핀 양자점이 적용된 배터리는 리튬 금속 배터리의 한계를 극복한 놀라운 성과로 받아들여지고 있다.

공동 연구팀이 개발한 기술은 기존 리튬 금속 배터리 성능을 2배 향상시켰고 2000시간 동안 작동해 매우 우수한 성능 및 안전성을 보였다.

공동 연구팀은 나노 크기보다 작은 그래핀 양자점 물질을 이용해 분리막에 간단하게 코팅함으로써 리튬 금속 표면의 수지상이 성장하는 것을 억제했다. 이를 통해 배터리의 안전성과 수명 문제를 해결해 리튬 금속 배터리 문제의 실마리를 제공한 연구결과로 주목받고 있다.

또한, 공동 연구팀의 금속 배터리는 고 전류(5mA/cm^2)에서 3500시간 동안 전압 안정성을 확보해 기존 리튬 금속에 비해 350배 이상 우수한 성능을 나타낸 획기적인 연구 결과로 평가받고 있다.

더 나아가 연구팀이 개발한 물질을 리튬 황 배터리에도 적용해 리튬 황 배터리의 문제로 꼽히는 폴리설파이드를 억제하고 금속 표면을 안정화시켜 매우 우수한 성능 및 안전성 결과를 선보였다.

책임 교신저자인 정현영 교수는 "리튬 금속 전극을 개질하기 위해 기존에는 비싼 장비와 기술을 필요로 해 상업화의 큰 장벽이 있었다면, 우리의 연구는 현재 사용 중인 분리막에 그래핀 양자점을 코팅하는 간단한 공정만으로 쉽게 리튬 금속 배터리의 성능을 향상시킬 수 있기 때문에 더욱 쉽게 상용화할 수 있다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부/한국연구재단의 기초연구실 지원사업과 교육부/한국연구재단의 지역대학우수과학자, 개인기초연구 지원사업의 지원을 받아 수행했다.