광주과학기술원 차세대에너지연구소 엄광섭(왼쪽) 소장과 조진현 박사가 리튬금속전지의 충전 속도와 안정성을 향상시키는 기술을 개발했다.<광주과학기술원 제공>

광주과학기술원(GIST·지스트)은 1일 “엄광섭 차세대에너지연구소 소장 연구팀이 전기가 통하는 고분자를 표면에 입힌 3차원 구조체를 활용해 리튬금속전지의 충전 속도와 안정성을 향상시키는 기술을 개발했다”고 밝혔다.

연구팀은 리튬이 쌓이는 위치와 방식이 배터리 성능을 좌우한다는 점에 주목해 리튬이 구조체 내부에서부터 균일하게 쌓이도록 유도하는 3차원 구조체(SP-PPy@pPVDF)를 설계했다.

특히 구조체의 표면은 전기가 통하지 않도록 설계해 리튬이 표면이 아닌 내부에서부터 쌓이도록 유도했다.

이 같은 구조는 전류 흐름을 조절해 리튬이 아래쪽부터 ‘바텀업(bottom-up)’ 방식으로 차곡차곡 쌓이도록 해 덴드라이트 형성과 부피 팽창을 동시에 억제한다. 그 결과 기존 리튬이온전지보다 에너지 저장 밀도를 2배 이상 높이고 부피 팽창 문제도 크게 개선했으며, 충전 속도를 크게 단축해 약 12분 만에 완전 충전이 가능한 초고속 충전 성능을 구현했다.

이와 함께 기존 구조에서는 어려웠던 고속 충전 조건에서도 안정적인 성능을 확보했다.

전기자동차 배터리, 에너지저장장치(ESS), 항공 모빌리티용 배터리 등 다양한 분야에 적용될 수 있어 향후 상용화 가능성을 높였다는 점에서 의의가 있다.

엄광섭 교수는 “현재 사용되는 리튬이온전지 대비 2배 이상의 에너지 저장 밀도를 갖는 리튬금속전지가 상용화될 경우 전기자동차와 항공 모빌리티의 주행거리를 2배 이상 늘리고 약 12분 수준의 초고속 충전이 가능한 기술로 발전할 것으로 기대된다”고 말했다.

엄광섭 소장이 지도하고 조진현 박사(제1저자)가 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받았다./박선옥 기자

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