‘구멍 숭숭’ 고체전해질로 전고체 배터리 성능·생산성 다 잡았다

전남대 연구팀, 다공성 구조 고체전해질 개발
이온 전도성은 높이고, 계면 저항은 낮춰 성능 개선
고분자 결합으로 생산해 전고체 배터리 상용화 가능

박찬진 전남대 신소재공학부 교수 연구팀이 개발한 다공성 구조의 복합 고체전해질 구조./한국연구재단

국내 연구진이 차세대 이차전지로 꼽히는 전고체 배터리를 상용화할 수 있는 기술을 개발했다. 구멍이 많은 다공성 구조와 간단한 고분자 결합으로 성능과 생산성이라는 두 마리 토끼를 잡았다.

한국연구재단은 박찬진 전남대 신소재공학부 교수 연구팀이 다공성 구조의 복합 고체전해질을 개발했다고 6일 밝혔다.

전고체 배터리는 이차전지의 용량을 늘리고 폭발·화재 위험성을 낮추기 위해 개발되고 있다. 고체전해질은 이론적으로 에너지 밀도가 높고 화재 위험성이 적다는 장점이 있다. 하지만 제조 공정에 비용이 많이 들고, 고체전해질과 전극이 닿는 면이 균질하지 않아 높은 저항이 생기는 ‘계면 저항’ 현상이 나타난다는 한계가 있다.

연구팀은 다양한 고체전해질을 혼합하고 각각의 단점을 보완하는 방식으로 접근했다. 우선 연구팀은 산화물 고체전해질 소재로 가시덤불처럼 공간이 있는 다공성 구조를 만들었다. 이후 리튬금속 음극과 고니켈 양극, 작은 분자들로 이뤄진 액상 모노머를 넣어 고분자로 결합해 새로운 복합 고체전해질을 제작했다.

새로 개발한 고체전해질은 리튬이온이 이동할 수 있는 여러 경로를 만들어 이온 전도성이 높았다. 전극과 고체전해질 사이 계면 저항도 줄어 배터리 효율도 개선됐다. 별도의 압력 없이 상온에서도 기존 리튬이온 배터리와 비슷한 성능을 보인다는 게 연구팀의 설명이다.

박찬진 교수는 “이번 연구는 출력과 계면 저항 개선이라는 전고체 배터리 기술의 주요 진전을 나타낸다”며 “특히 전고체 배터리 제조 공정을 단순화하는 데 큰 성과를 거뒀다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터, 중견연구사업의 지원을 받았다. 연구성과는 재료 분야 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)’에 지난달 12일 게재됐다.

참고자료

Nano-Micro Letters, DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-023-01294-0

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