전극에 리튬 주입해 전고체전지 에너지 효율 높였다

이용민 DGIST 에너지공학과 교수 연구진

국내 연구진이 전극에 리튬 금속 입자를 삽입해 에너지 밀도를 올리는 기술을 개발했다. 차세대 전지로 주목 받는 전고체전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것이라는 기대가 나온다./어드밴스드 에너지 머티리얼스

국내 연구진이 전고체전지의 에너지 밀도를 높일 수 있는 새로운 전극을 개발했다. 전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달할 때 고체전해질을 사용한다. 유기용매를 사용하는 리튬이온배터리보다 화재 위험성이 낮고 에너지밀도를 높게 낼 수 있어 차세대 이차전지로 주목 받고 있다.

이용민 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 교수가 이끄는 연구진은 한국전자통신연구원(ETRI)과 공동으로 전고체전지용 전극을 만들어 에너지밀도와 안정성을 높이는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

전고체전지는 기존 이차전지보다 에너지 밀도를 높게 낼 수 있으나 실제로는 복잡한 구성의 전극 때문에 성능을 높이는 데 한계가 있다. 이런 한계를 해결하기 위해 DGIST 연구진은 전해질이 아닌 활물질 사이에서 이온을 확산하는 방식의 전극을 개발한 바 있다. 이렇게 만든 전극의 대부분은 활물질로 간단하게 구성되고, 고용량 실리콘을 사용해 얇은 두께에도 에너지밀도를 쉽게 높일 수 있다. 활물질은 전극에서 전기화학적인 반응을 일으켜 전기에너지를 만드는 역할을 한다.

DGIST 연구진은 ‘사전 리튬화’ 기술을 적용해 앞서 개발한 전극의 성능을 한층 더 끌어 올리는 데 성공했다. 활물질에 리튬을 미리 넣어 전지를 처음 충전할 때 발생하는 리튬의 손실을 보완하는 방식이다. 실리콘을 사용하는 기존 방식에서는 충·방전 효율이 낮아 리튬이 손실되고 용량이 감소하는 문제가 있었다.

연구진은 전극 안에 미세한 리튬 금속 입자를 균일하게 분산하는 방식으로 이 문제를 해결했다. 전고체 전지를 만들 때 리튬 입자가 흑연과 실리콘에 접촉하면서 자연스럽게 충전돼 복잡한 공정 없이도 전극을 만들 수 있다.

새롭게 개발한 방식으로 만들어진 전극은 기존보다 초기 충·방전 효율이 크게 향상됐다. 또 전극에 리튬을 충전할 때 발생하는 부피 팽창을 40%가량 줄여 수명도 크게 늘었다.

이 교수는 “간단하면서도 효과적인 사전리튬화 기술을 개발해 고에너지밀도·고안정성 전고체 전지용 전극 구현했다”며 “긴 수명을 가진 고용량 실리콘 기반 전극을 활용해 전고체 전지의 상용화 가능성을 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’에 지난 달 7일 소개됐다.

참고자료

Advanced Energy Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202300172

이번 연구에 참여한 연구진. 왼쪽부터 이용민 대구경북과학기술원(DGIST) 교수, 이종준 석·박사 통합 연구원, 김주영 한국전자통신연구원(ETRI) 선임연구원./대구경북과학기술원

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