전고체전지 성능 저하 유발하는 ‘계면 저항’ 원천 차단하는 생산 공정 나왔다

임진섭 생기원 수석연구원 연구진
고분자 재료인 모노머, 전극에 침투시킨 후 중합
성능·수명 한 번에 잡았다

한국생산기술연구원 연구진이 전고체전지의 성능 하락의 원인이 되는 '계면 저항' 문제를 해결할 생산 공정을 개발했다. 앞줄 왼쪽부터 시계방향으로 임진섭 수석연구원, 송영웅 연구원, 이슬기 박사후연구원, 김민영 선임연구원./한국생산기술연구원

국내 연구진이 차세대 전지 기술인 전고체전지의 출력 저하와 내구성 감소 문제를 해결할 고체전해질 생산 공정을 개발했다. 성능 개선은 물론 기존에 구축한 생산 공정에도 적용할 수 있어 상용화 속도를 높일 수 있을 것으로 기대를 모은다.

임진섭 한국생산기술연구원 에너지나노그룹 수석연구원이 이끄는 연구진은 전고체전지의 출력을 떨어뜨리는 계면 저항 문제를 개선한 복합 고체 전해질을 개발했다고 14일 밝혔다.

전고체전지는 액체전해질 대신 고체전해질을 사용해 화재 위험성이 적어 차세대 전지 기술로 주목 받고 있다. 고체전해질은 크게 산화물계, 황화물계, 고분자계 등 3개로 나눠진다. 최근에는 2가지 이상의 전해질을 함께 사용하는 복합 전해질이 연구되고 있다. 산화물과 고분자를 결합한 복합 전해질은 기계적·화학적 안정성이 우수하고 이온전도도가 높으나, 전극 사이에 발생하는 계면 저항으로 인한 출력 저하 문제가 해결되지 않고 있다. 계면 저항은 서로 다른 물질 사이 공간에서 저항이 급격히 커지는 현상이다.

생기원 연구진은 계면 저항을 원천적으로 차단하는 새로운 방식의 복합 전해질을 개발했다. ‘현장 열중합’ 기술을 적용해 모노머를 양극에 침투시킨 후 고분자로 만들었다. 모노머는 고분자를 만드는 재료를 말한다. 이렇게 만들어진 전해질은 복합 고체전해질과 전극 사이의 계면 저항을 낮춰 전지의 출력을 향상시키는 것으로 나타났다.

이번에 개발한 복합 전해질의 두께는 리튬이온전지의 분리막과 비슷한 20㎛(마이크로미터·1㎛는 100만 분의 1m) 수준으로 만들 수 있었다. 리튬 이온이 결정화되면서 전지의 수명을 줄이는 ‘리튬 수상 돌기’도 거의 나타나지 않아 70℃의 고온에서 150번 충·방전을 반복해도 93.2%의 용량을 유지했다.

리튬이온전지와 비슷한 공정으로 제작하는 만큼 기존 산업체의 생산 시설을 그대로 사용할 수 있다는 장점도 있다. 공정 비용을 아껴 전고체전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 연구진은 기대하고 있다.

임 수석연구원은 “전해질의 두께는 최소화하면서도 리튬 수상돌기 문제를 해결한 복합 고체전해질을 개발하는 것은 가장 어려운 목표였다”며 “핵심 기술을 확보한 만큼 전고체전지 실용화를 앞당기기 위한 후속 연구에 주력할 계획”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘머티리얼스 케미스트리A’에 지난 3월 13일 소개됐다.

참고자료

Journal of Materials Chemistry A, DOI: https://doi.org/10.1039/D4TA00479E

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