폭발·화재없는 전고체전지…양극활물질·고체전해질 혼합

KERI 하윤철 박사팀, 최적의 혼합 비율 입증
에너지 분야 국제학술지 게재…상용화 추진

[창원=뉴시스] 한국전기연구원(KERI) 등 국내 전고체전지 연구팀. 왼쪽부터 KERI 하윤철 박사, 경희대 김병곤 교수, 중앙대 문장혁 교수, 부산대 이승기 교수.(사진=KERI 제공) 2024.07.29. photo@newsis.com

[창원=뉴시스] 홍정명 기자 = 한국전기연구원(KERI)은 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀이 경희대 응용화학과 김병곤 교수팀, 중앙대 에너지시스템공학부 문장혁 교수팀, 부산대 재료공학부 이승기 교수팀과 전고체전지(황화물계)용 양극활물질과 고체전해질을 최적으로 혼합할 수 있는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

폭발·화재 없는 전고체전지 실용화에 한 걸음 더 다가섰다고 연구진은 강조했다.

전고체전지는 화재나 폭발 위험이 극히 낮아 '차세대 전지'로 주목받고 있다. 하지만 고체라는 특성상 기존 액체전해질 기반의 전지보다 고도의 기술력이 요구되고 제조 과정도 어렵다.

특히 전극판 제조에 있어 내부의 양극활물질과 고체전해질, 도전재 및 바인더(도전재는 활물질 내부서 전자 이동을 촉진시키는 물질이고, 바인더는 활물질과 도전재가 금속판에 잘 붙을 수 있도록 도와주는 일종의 접착 물질)의 효과적인 혼합과 분산은 안전한 전도체전지 개발의 난제 중 하나 알려져 있다.

전자와 리튬이 잘 전달될 수 있는 구조로 채널(통로)을 만들어야 하고 접촉면에서의 계면 저항도 낮아야 하는 등 조건이 매우 까다롭기 때문이다.

현재까지는 양극활물질과 고체전해질을 복합화(결합)하기 위해 ▲습식 혹은 건식 환경에서 기계적으로 단순 혼합해 수십~수백㎛(1백만분의 1미터) 두께로 제조하는 방식 ▲양극활물질 표면을 고체전해질로 감싸는 코어쉘(Core-shell) 구조 방식 등이 있었지만 전자나 이온 이동이 원활하지 않거나 계면저항이 높게 형성되는 문제가 있었다.

[창원=뉴시스] 한국전기연구원 하윤철(맨왼쪽) 박사와 연구진이 전고체전지용 양극활물질과 고체전해질을 최적으로 혼합하기 위해 개발한 '블레이드 밀' 장비를 앞에 두고 포즈를 취하고 있다. (사진=한국전기연구원 제공) 2024.07.29. photo@newsis.com

KERI와 대학 연구팀은 양극활물질에 고체전해질을 부분 코팅하는 방법을 활용했다.

고체전해질은 산소와 수분에 민감해 잘못 활용되면 열화가 발생하지만 연구팀은 화학 반응을 일으키지 않는 일명 '불활성(비활성) 기체'를 사용할 수 있는 특수장비인 '블레이드 밀(blade mill)'을 개발해 다양한 형태의 고체전해질 코팅 구조를 연구하고 양극활물질과의 최적의 혼합 비율 등 실험·검증에 성공했다.

이후 다양한 시뮬레이션을 통해 전고체전지의 활물질 이용률(이론 용량 대비 실제 구동 용량)과 율특성(저전류 충·방전 대비 고속 충·방전)을 향상시킬 수 있는 다수의 데이터를 확보했고 그 결과를 시제품(파우치 셀)까지 적용해 전고체전지의 성능 향상을 확인했다.

하 박사는 "전고체전지 보급 확대를 위해 고체전해질 자체의 고성능화와 저가격화도 중요하지만 이온과 전자의 흐름을 원활하게 돕는 전극판을 효과적으로 만드는 구조설계와 제조공정 기술도 중요하다"고 강조했다.

[창원=뉴시스] 양극활물질과 고체전해질이 최적으로 혼합돼 성능이 높아진 한국전기연구원(KERI) 전고체전지. (사진=KERI 제공) 2024.07.29. photo@newsis.com

하 박사는 "이번 공동연구 성과는 최적의 비율로 고체전해질이 부분 코팅된 양극활물질 복합소재를 통해 전극판의 기능성을 높이고 전고체전지 성능 향상에 크게 기여할 수 있을 것을 본다"고 말했다.

이번 연구 성과는 에너지 분야 저명 국제학술지인 '에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)'에 게재됐다. 학술지 영향력을 평가하는 JCR Impact Factor는 18.9로 해당 분야 상위 5%에 속한다.

KERI는 관련 기술 관련 특허등록을 마쳤다. 앞으로 전고체전지 극판과 셀 제조 관련 수요업체를 발굴해 상용화도 추진할 계획이다.

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