폭발·화재 없는 전고체전지 상용화 앞당길 '설계 도구' 개발

연구팀이 한국에너지기술연구원(KIER) 차세대 이차전지 상용화 지원센터에서 찍은 사진. 왼쪽부터 정성균 UNIST 교수, 이주호 KIER 학생연구원(공동1저자), 김진수 KIER 선임연구원. KIER 제공

1일 발생한 인천 아파트 지하주차장 전기차 화재와 지난 6월 발생한 경기 화성시 리튬 전지 공장 화재 등 배터리 화재 사고가 연달아 발생하며 국민들의 불안이 커지고 있다. 국내 연구팀이 폭발 위험이 없는 차세대 배터리인 전고체전지 연구를 위한 설계 도구를 제작하고 배포해 전고체전지 상용화 속도를 높일 것으로 기대된다.

한국에너지기술연구원은 김진수 울산차세대전지연구개발센터 선임연구원과 정성균 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수 연구팀이 에너지밀도가 높은 전고체전지를 구현할 수 있는 범용 설계 방법론과 설계 도구인 '솔리드엑스셀(SolidXCell)'을 개발했다고 6일 밝혔다. 연구결과는 지난달 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.

전기차를 포함한 전자기기에 널리 쓰이는 배터리인 리튬이온 이차전지는 인화성 액체 전해질이 들어 있어 본질적으로 화재에 취약하다. 전고체전지는 비인화성 고체 전해질을 활용해 화재 위험을 억제한 이차전지다. 전지의 단위 구조인 셀(cell)과 시스템 설계를 통해 에너지밀도도 크게 높일 수 있을 것으로 기대돼 널리 연구된다.

전고체전지 기초 연구 성과가 많이 나오고 있지만 전지의 전극과 셀 설계를 위한 가이드라인이 없어 연구자 경험에 의존한 비효율적인 연구 개발이 이뤄지고 있다. 연구팀은 전극 설계 조건을 3가지로 나누어 정의하고 범용적인 전고체전지 설계 방법론을 최초로 제시했다.

연구팀은 전고체전지 범용 설계 방법론을 3가지 가이드라인으로 나누어 제시했다. KIER 제공

전고체전지는 양극·음극, 고체 전해질로 구성된다. 양극을 구성하는 입자가 촘촘할수록 에너지 밀도가 올라간다. 연구팀은 입자의 밀도가 가장 높아지는 '입방 최조밀(CCP)' 구조를 기반으로 고체 전해질이 입자 사이의 공간을 메꾸는 표준 비율을 '균형 임계값'으로 정했다. 균형 임계값에서 양극 입자의 부피 비율은 74%, 고체 전해질은 26%다. 이를 기준으로 에너지밀도와 출력밀도 사이의 설계 방향을 정할 수 있다는 설명이다.

양극 입자와 고체 전해질이 섞이며 입자끼리 맞닿는 밀도는 '투과 임계값'으로 정했다. 복합 입자 사이의 공간이 26%보다 크면 입자끼리 맞닿지 않아 이온이 흐르지 않아 전지가 작동하지 않는다. 또 전극을 설계할 때 극판 두께를 최적화하는 가이드라인으로 활용할 수 있는 '부하 임계값'도 설정했다.

연구팀의 설계 방법론을 적용해 만든 고에너지밀도 파우치형 전고체전지 셀은 공인 시험기관인 한국건설생활환경시험연구원의 인증을 통과해 실제 성능을 입증했다.

나아가 연구팀은 누구나 설계 방법을 쉽게 적용할 수 있도록 전고체전지 설계 도구인 솔리드엑스셀(SolidXCell)을 개발했다. 복잡한 전고체전지 설계를 직관적이고 체계적으로 설계할 수 있는 디자인 플랫폼이다. 일반 연구자들이 전고체전지 설계에 활용할 수 있도록 논문 보충자료로 무상 배포 중이다.

김진수 선임연구원과 정성균 교수는 "전고체전지 범용 설계 방법론을 최초로 제시하고 성능 검증을 거친 설계 툴킷을 개발해 공유한 것은 전고체전지 설계 분야에 큰 도움이 될 것"이라며 "많은 연구자가 효율적인 설계로 현재의 기술 장벽을 뛰어넘을 수 있기를 기대한다"고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41467-024-50075-9

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]