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[분석]전기차, 리튬금속전지도 상용화될까

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사진=클립아트코리아
[글로벌메이커스 박정현 기자] 코로나19에서도 전기차 이슈는 꾸준히 상승하고 있다. 테슬라에 배터리를 공급해온 LG화학은 올해 가장 큰 성장을 보인 기업으로도 꼽힌다.

그 전기차 시장이 이제 리튬금속전지를 미래 배터리로 주목하고 있다.

현재 상용화 된 리튬이온전지 음극은 흑연물질로 이론용량이 372 mAh/g이지만, 리튬금속은 이론 용량이 3,860 mAh/g으로 흑연보다 10배 이상 높은 이론용량을 가지며, 표준수소전극(SHE) 대비 –3.040 V로 가장 낮은 전기화학전위와 0.534 g/cm3의 낮은 밀도를 가지기 때문에, 리튬금속은 음극으로서 아주 큰 가능성을 가진 물질이다.

리튬금속전지는 현재 대중적으로 사용하고 있는 리튬이온전지에 비해 에너지 밀도가 10배 가량 높다고 알려져 있다. 다만 리튬 금속을 음극으로 사용해 폭발 등의 위험으로 불안정하다는 점 때문에 크게 상용화되지는 못했다. 낮은 쿨롱효율 또한리튬금속음극이 사용되기 위해서 극복되어야할 문제다.

이에 최근에 많은 연구들이집중되어 상당한 부분은 개선이 되고 있다.
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사진=클립아트코리아


우선, 고농도의 전해질에서 전기화학적 산화 및환원 안정성이 증가한다는 점과 특히 리튬금속음극에 사용했을 때 수지상의 리튬 덴드라이트 형성을 억제한다고 보고되면서 다양한 고농도 전해질들이 연구되었다. 대표적으로 개발된 전해질은 7M의lithium bis(trifluoromethane sulphonyl)imide (LiTFSI)를 DOL/DME 용매에 녹인 것이다.

이와 더불어, 4M의 lithiumbis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI)을 DME 용매에 녹여 사용한 전해질이 리튬금속에서 덴드라이트 모양으로자라는 것을 억제해 줄 뿐만 아니라, 고속 충방전에서도 높은 쿨롱효율을 발현하는 좋은 특성을 보여주기도 했다.

또 전극 표면에서 리튬이온의 불균일한 분포 및 이동이 불균형적인 리튬금속 증착과 성장을 일으키기 때문에, 균일한 리튬이온 플럭스를 조성하여 리튬 덴드라이트 형성을 막을 수 있다는 내용의 연구가 발표되기도 했다.

캐나다에서는 한 대학 연구팀이 과학저널 네이처 에너지에 파우치형 리튬금속전지 관련 논문을 실어 화제가 된 바 있다. 캐나다 달하우지대학 제프 단 교수가 이끄는 연구팀은 액체전해질을 사용하면서 리튬 금속 표면의 덴트라이트 현상을 완화, 폭발 위험을 줄인 리튬금속전지 기술을 개발해 냈다.

국내에서도 지난 19일, 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 리튬금속 배터리 개발 계획을 전했다.

UNIST는 삼성전자(005930)의 지원으로 오는 2022년까지 리튬금속배터리를 개발한다는 계획이다. 연구팀은 삼성미래기술육성사업 신규과제로 선정된 ‘리튬금속 배터리 시스템을 위한 전극 설계와 소재 기술’ 개발에 이달 착수한 것으로 밝혀졌다.

연구 팀에 따르면 연구가 순조롭게 진행될 경우, 단 5분 충전으로 600km까지 주행할 수 있는 전기차 배터리의 상용화가 가능해질 전망이다.

업계 관계자는 "이런 노력들이 지속된다면, 리튬금속음극이 상용화되어 2차전지의 에너지 밀도를 획기적으로 증가시킬 것으로 기대된다"라며, "이 때, 복잡한 리튬금속의 반응 메커니즘을 근본적으로 이해하는 연구도 큰 비중을 두고 병행한다면, 리튬금속음극의 상용화는 더 앞당겨 질"이라고 전했다.

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