충·방전 용량에 따른 쿨롱효율·과전압의 경향성 제시 리튬 금속 음극에서의 전기화학적/형태학적 변화 분석 국제 학술지 Energy Storage Materials에 게재돼
고려대학교(총장 정진택) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀 (제1저자: 현재환 석박통합과정, 이민정 석사과정, 정혜진 석사)은 높은 충·방전 용량으로 리튬을 전착·탈리시킬 때 쿨롱효율은 높아지고, 과전압은 낮아지는 경향성을 발견했다. 나아가, 전기화학적 분석과 실시간 이미징 분석법을 통해 경향성에 관한 원인을 제시했다.
이번 연구성과는 국제 저명 학술지 ‘에너지 스토리지 머터리얼즈 (Energy Storage Materials)’ (IF=20.831)에 유럽 현지시간 10월 17일 게재됐다.
리튬 금속 이차전지는 현재 상용화되어 있는 리튬 이온 이차전지의 한정된 용량 문제를 해결할 수 있는 유력한 차세대 전지 후보들 중 하나이다. 기존의 흑연 음극(372 mAh/g) 대신 리튬 금속(3,860 mAh/g) 자체를 음극으로 사용하기에 10배 이상의 용량을 발현할 수 있다. 그러나, 리튬의 불균일한 전착으로 인해 나뭇가지처럼 뾰족한 모양의 수지상(덴드라이트, Dendrite)이 형성하면서 전지의 안전성이 저하되고, 리튬 금속과 전해질 사이의 부반응으로 인한 높은 과전압과 낮은 쿨롱 효율 등으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 이에 과전압과 쿨롱 효율에 직접적으로 영향을 주는 요인이 무엇인지 명확하게 규명하고 리튬 금속 이차전지의 문제를 해결할 수 있는 전략의 개발이 필요한 상황이다.
리튬 금속 이차전지에서 충·방전 용량이 늘어날수록 절대적으로 더 많은 양의 리튬 수지상이 성장하고, 탈리 과정에서 전기화학적으로 반응할 수 없는 리튬이 더욱 많이 생성된다. 이는 전지의 쿨롱 효율을 떨어뜨리고, 저항과 과전압의 증가를 유도하기 때문에 충·방전 용량을 작게 유지하는 것이 전지의 성능 측면에서 유리하다고 널리 생각되어 왔다. 그러나 높은 충·방전 용량으로 전착·탈리 사이클을 진행할 때 오히려 높은 쿨롱 효율과 낮은 과전압이 나오는 경향성이 발견됐다.
| 