KAIST 김일두 교수 연구팀이 친환경 중공 나노섬유 보호막을 개발해 리튬금속전지 수명을 750% 향상시켰다. 구아검으로 물만 사용해 제조된 이 보호막은 계면 안정화와 리튬이온 성장을 제어하며, 자연에서 한 달 내 완전 분해된다. 이 기술은 환경 부하를 줄이며 차세대 배터리 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

 KAIST 신소재공학과 김일두 교수 연구진이 아주대학교 이지영 교수와 협력하여 친환경 공법으로 제조한 중공 나노섬유를 리튬금속 보호막으로 활용, 리튬 성장의 안정화와 차세대 리튬금속전지의 수명 획기적 향상에 성공했다.

기존 리튬금속 보호막 기술은 리튬금속과 전해액 간 계면을 인공적으로 조성하는 방식으로, 고비용 재료와 인체에 유해한 공정이 필요하며, 리튬금속 음극의 수명을 높이는 데 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 연구진은 리튬 이온 성장을 물리적·화학적으로 제어할 수 있는 중공 나노섬유 기반의 보호막을 개발했다.

이번에 개발된 보호막은 식물에서 추출한 친환경 고분자인 구아검(Guar gum)을 주재료로 사용하고, 물만을 이용한 전기방사 공법을 통해 제조된 것이 특징이다 (그림 1). 이 보호막은 전해액과 리튬 이온 간의 가역적 화학 반응을 효과적으로 제어할 뿐만 아니라, 섬유 내부의 빈 공간을 활용해 리튬 이온이 금속 표면에 무작위로 쌓이는 것을 억제함으로써 리튬금속 표면과 전해액 사이의 계면 안정화도 동시에 달성했다.

연구 결과, 이 보호막을 적용한 리튬금속 음극은 기존 대비 약 750%의 수명 향상을 보였으며, 300회 반복 충·방전 이후에도 약 93.3%의 용량을 안정적으로 유지하는 세계 최고 수준의 성능을 기록했다 (그림 2A). 또한, 보호막이 흙에서 약 한 달 내에 완전히 분해됨을 확인해, 제조부터 폐기까지 전 과정에서 친환경적 특성을 입증했다 (그림 2B).

김일두 교수는 "물리적·화학적 보호막 기능을 모두 활용한 덕분에 리튬금속과 전해액 간 가역적 반응을 더욱 효과적으로 유도하고 수지상 결정 성장을 억제할 수 있었다"며, "이를 통해 획기적인 수명 특성을 가진 리튬금속 음극을 개발할 수 있었다"고 말했다. 그는 이어 "배터리 제조 및 폐기로 인한 환경부하 문제가 심각한 상황에서, 물만 사용하는 친환경적 제조 공법과 자연 분해되는 특성은 차세대 친환경 배터리의 상용화에 크게 기여할 것"이라고 강조했다.