(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국화학연구원은 안기석·서동범 박사 연구팀과 충남대학교 박상백 교수 공동 연구팀이 금속-유기 화학 기상 증착법으로 성장시킨 이황화몰리브덴(MoS₂)을 차세대 무음극 전카지노 전략 전지의 집전체에 적용해 수명을 7배 높이는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.
전카지노 전략 전지는 액체 전해질이 사용되는 리튬 이차전지와 달리 인화성 액체 없이 모두 카지노 전략로 구성된 이차전지를 뜻한다. 인화성이 없거나 적은 카지노 전략 전해질을 사용해 안전하며 높은 에너지 밀도와 출력을 갖출 수 있고 겨울에도 성능이 유지되는 장점이 있다.
더 나아가 음극 없이 생산하는 차세대 무음극 전카지노 전략 전지도 활발한 연구가 진행 중이다. '양극–카지노 전략 전해질–집전체' 구조로 생산한 뒤 첫 충전 시 양극에서 나온 리튬 이온이 집전체에 달라붙으며 리튬 층을 형성해 스스로 음극이 생기도록 하는 방식이다.
생산 시 음극이 없는 만큼 일반 전카지노 전략 전지보다 부피를 줄일 수 있어 에너지 밀도 극대화, 즉 배터리 소형화 및 에너지 저장 용량 확대가 가능하다.
다만 충전할 때는 리튬 이온이 집전체에 달라붙어 얇은 음극을 형성했다가 방전되면 다시 리튬 음극 층이 없어지는 과정이 반복된다. 이 때 음극과 카지노 전략 전해질 사이 경계면이 불균일해지며 안정성이 떨어져 수명이 짧아지는 단점이 있다.
균일한 카지노 전략 도금 유도·카지노 전략 보호막 생성을 위해 은·인듐 등 친 리튬성 귀금속 박막을 적용했지만 소재가 비싸고 공정이 복잡해 상용화가 어렵다.
카지노 전략은 귀금속에 비해 저렴한 이황화몰리브덴 박막을 적용했다. 반도체 공정에 사용되는 금속 유기화학 기상 증착법으로 스테인리스강(SUS) 집전체에 이황화몰리브덴 나노시트 박막을 정밀한 두께로 코팅, 충·방전 과정에서 경계면 안정화 층이 추가로 생성되도록 유도했다.
이황화몰리브덴은 충·방전 시 리튬과 반응해 몰리브덴(Mo) 금속과 황화리튬(Li₂S)으로 변환된다. 이들은 음극과 카지노 전략 전해질 사이에서 새로운 층을 형성해 리튬이 특정 부위에 뾰족하게 성장하는 '덴드라이트 현상'을 막고 배터리 수명과 안정성을 높인다.
실험 결과 집전체에 이황화몰리브덴 희생막을 적용한 경우 300시간 이상 안정적인 작동이 확인됐다. SUS 전극만 사용한 경우 약 95시간 만에 단락이 발생한 것과 비교하면 약 3.2배 이상 안정성이 향상됐다.
특히 이황화몰리브덴 희생막을 적용한 카지노 전략는 기존 SUS 전극 활용 카지노 전략 대비 초기 방전 용량이 1.18배, 수명은 7배 늘었다. 현재 개발 초기 단계로, 2032년 실용화가 가능할 것으로 예상된다.
연구팀은 "저렴한 MoS₂ 소재를 활용해 기존 귀금속 기반 전카지노 전략 전지의 한계를 극복한 점에서 의미 있는 기술"이라고 밝혔다.
이영국 원장은 "다양한 응용 분야에서 전카지노 전략 전지 상용화를 앞당길 수 있는 차세대 핵심기술이 될 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구는 재료과학 분야 국제 학술지 '나노 마이크로 레터스'에 게재됐다.
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