포스텍, 자석으로 리튬 제어···폭발 없는 꿈의 배터리 개발

POSTECH(포항공과대학교) 연구진이 고에너지밀도 전극 소재에 자기장으로 리튬 이온 흐름을 제어해 덴드라이트(dendrite) 형성을 억제하는 차세대 하이브리드 음극 기술을 개발한 것이다.

최근 POSTECH 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 강송규 박사, 통합과정 김민호 씨 연구팀이 ‘망간-철(Mn-Fe)’ 산화물 기반의 강자성 전환형 음극재에 외부 자기장을 적용해 리튬 이온의 이동 경로를 자기적으로 제어하는 마그네토-컨버전(Magneto-conversion) 방식을 개발했다. 

이 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 소개됐다.

전기차와 대용량 에너지 저장장치 시장이 성장하면서, ‘더 많이 저장하면서도 안전한 배터리’가 업계의 가장 큰 과제가 돼왔다. 

리튬 금속 음극은 이론상 에너지 저장 용량이 매우 크지만 충전과 방전을 반복하는 과정에서 바늘처럼 자라나는 덴드라이트가 합선을 일으켜 폭발로 이어질 수 있다. 반면 현재 널리 쓰이는 흑연 음극은 용량 한계가 뚜렷해 차세대 기술이 절실한 상황이었다.

아이디어는 간단했다. “자석이 쇳가루를 줄 세우듯 리튬 이온 흐름을 정돈하자” 망간–철 산화물 전환형 음극재 안에 리튬이 들어가면 강자성을 띠는 나노입자가 생기는데, 여기에 자기장을 걸면 이 입자들이 작은 자석처럼 배열된다. 

이렇게 되면 리튬 이온이 한쪽으로 몰리지 않고 넓게 퍼져 흐른다. 이 과정에서 로렌츠 힘(자기장 속에서 전하가 받을 수 있는 힘)이 작용해 리튬 이온을 넓게 분산시켜, 덴드라이트 대신 매끈하고 균일한 리튬 금속층이 쌓인다.

또, 이 음극은 리튬 이온을 산화물 안에 저장하는 방식과 표면에 금속 형태로 쌓는 방식이 동시에 일어나는 ‘하이브리드형 음극’이다. 

덕분에 상용화된 흑연 음극보다 약 4배 높은 저장 용량을 구현했고, 덴드라이트 없이 안정적으로 충·방전이 가능했다. 특히, 300회 이상 충·방전 후에도 배터리 안정성을 보여주는 지표인 ‘쿨롱 효율’이 99% 이상을 기록했다.

연구를 이끈 김원배 교수는 “이번 방식은 리튬 금속 음극의 가장 큰 약점인 불안정성과 덴드라이트 문제를 한꺼번에 해결할 새로운 접근”이라며 “차세대 배터리 용량·수명·충전속도를 모두 개선할 기반 기술이 될 것”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터, 중견 연구자지원사업, 첨단산업특성화대학원지원(배터리) 사업 지원으로 수행됐다.