전고체 배터리 싸게 만드는 방법 찾았다

전기연, 양극활물질-고체전해질 혼합 기술 개발
충·방전 1000회에 용량 유지율 80.6%
고체 전해질 함량 낮아도 성능 유지

하윤철 한국전기연구원 차세대전지연구센터 책임연구원 연구팀이 개발한 전고체 배터리 양극과 시제품./전기연

국내 연구진이 전고체 배터리의 성능을 높이기 위해 양극활물질과 고체 전해질을 혼합해 전극 판을 만드는 기술을 개발했다. 이 기술을 활용하면 고체 전해질 함량을 줄이면서 성능을 유지할 수 있어 싼 가격에 전고체 배터리를 만들 수 있다.

하윤철 한국전기연구원 차세대전지연구센터 책임연구원 연구팀은 전고체 배터리용 양극활물질과 고체 전해질을 최적으로 혼합하는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다. 이번 연구에는 김병곤 경희대 응용화학과 교수, 문장혁 중앙대 에너지시스템공학부 교수, 이승기 부산대 재료공학부 교수 연구팀이 참여했다.

전고체 배터리는 폭발 위험이 낮은 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 하지만 고체 전해질은 액체 전해질을 기반으로 하는 배터리보다 전자와 리튬 이동이 자유롭지 않다. 전극과 전해질 접촉면에서 발생하는 계면 저항도 낮아야 해 높은 기술력이 요구되고 있다.

전고체 배터리 연구에서의 난제는 내부 양극활물질과 고체 전해질, 도전재, 바인더의 적절한 혼합과 분산이다. 도전재는 활물질 내부에서 전자의 이동을 촉진하는 물질을, 바인더는 활물질과 도전재가 금속판에 잘 붙을 수 있도록 돕는 접착 물질을 말한다. 전고체 배터리 구성 요소들을 유기적으로 혼합해 이온과 전자의 통로를 만들어야 하지만, 기존 기술은 한계가 있었다.

하윤철 한국전기연구원 차세대전지연구센터 책임연구원이 전고체 배터리 양극활물질과 고체 전해질을 최적으로 혼합하는 장비인 '블레이드 밀(Blade Mill)'을 설명하고 있다./전기연

연구팀은 양극활물질에 고체 전해질을 부분적으로 코팅하는 방법을 사용했다. 고체 전해질은 산소와 수분에 민감해 잘못 활용하면 열화가 발생한다. 연구팀은 열화를 막기 위해 화학 반응을 보이지 않는 불활성 기체를 사용하는 특수 장비 ‘블레이드 밀(Blade Mill)’을 개발했다. 블레이드 밀을 활용해 고체 전해질 코팅 구조를 연구했다.

연구팀은 고체 전해질 코팅 구조를 시뮬레이션(가상 실험)해 양극활물질과의 최적 혼합 비율을 검증했다. 실험 내용을 파우치 셀 시제품에 적용해 전고체 배터리의 성능도 확인했다. 양극활물질과 고체 전해질을 혼합한 결과, 전고체 배터리는 충·방전 사이클 1000회 동안 용량 유지율 80.6%를 기록했다. 또 양극활물질와 비교했을 때 고체 전해질 함량을 7% 수준으로 줄여도 성능이 안정적으로 유지됐다. 고체 전해질은 가격이 높아 혼합 비율을 줄이면 싸게 전고체 배터리를 생산할 수 있다.

하윤철 책임연구원은 “전고체 배터리 보급을 확대하기 위해 이온과 전자의 흐름을 원활하게 돕는 전극 판을 효과적으로 만드는 구조 설계와 제조 공정 기술도 중요하다”며 “고체 전해질이 부분 코팅된 양극활물질 복합소재로 전극 판의 기능성을 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

전기연은 이번 연구와 관련해 수요업체를 발굴하고 상용화를 추진할 계획이다. 연구 성과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)’ 8월호에 게재된다.

참고 자료

Energy Storage Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103607

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