폭발 위험 없는 `전고체 전지` 체계적으로 설계 제작

에기연, 가이드라인 담은 '범용 설계방법' 개발
균형, 투과, 부하임계값 등 세 가지 조건 제시

한국에너지기술연구원은 에너지밀도가 높은 전고체 전지를 구현하기 위한 설계방법과 범용 설계도구를 개발했다. 정성균(왼쪽부터) UNIST 교수, 이주호 학생연구원, 김진수 에기연 박사. 에기연 제공

연구진이 전고체 전지 설계조건으로 정의한 균형 임계값, 투과 임계값, 부하 임계값 개념도.

국내 연구진이 폭발 위험이 없는 전고체 전지를 체계적으로 개발할 수 있는 설계방법을 제시했다.

한국에너지기술연구원은 김진수 울산차세대전지연구개발센터 박사 연구팀이 정성균 울산과학기술원 교수 연구팀과 함께 에너지 밀도가 높은 전고체 전지를 구현하기 위한 설계방법과 범용 설계 도구인 '솔리드엑스셀(SolidXCell)'을 개발했다고 6일 밝혔다.

전고체 전지는 액체 전해질 대신 고체전해질을 활용해 화재와 폭발 위험성을 근본적으로 차단한 차세대 이차전지다. 하지만 전지의 전극과 셀을 설계하기 위한 과학적 가이드라인이 없어 주로 연구자의 경험에 의존하는 비효율적 연구개발로 진행돼 왔다.

연구팀은 입자 밀도가 가장 높아지는 '입방 최조밀(CCP·정육면체 구조 안에 입자를 가장 조밀하게 구성하는 형태)' 구조를 기반으로 고체 전해질이 입자 사이의 공간을 메꾸는 표준 비율을 '균형 임계값'으로 정의했다. 균형 임계값에서 양극 입자는 74%, 고체 전해질은 26%의 부피 비율을 가지며, 이 값을 기준으로 비율을 조정하면 에너지 밀도와 출력 밀도 사이의 설계 방향을 정할 수 있다.

연구팀은 양극 입자와 고체 전해질이 복합된 입자끼리 서로 맞닿는 밀도를 '투과 임계값'으로 정의하고, 복합 입자 사이의 공간이 26% 이하여야 하며, 이보다 크면 입자끼리 맞닿지 못해 이온이 흐르지 않고, 전지가 작동하지 않는 것을 확인했다.

또한 전극 두께를 설계할 때, 전압 강화가 100밀리볼트(㎷) 이내로 발생하는 조건을 이상적 모델로 보고, '부하 임계값'으로 정의했다. 이 조건은 다양한 소재를 조합하고 전극을 설계할 때 극판 두께를 최적화하는 가이드라인으로 활용할 수 있다.

연구팀은 이런 설계방법론을 적용해 높은 에너지밀도를 갖는 파우치형 전고체 전지 적층셀을 제작하고, 시험 인증까지 획득했다.

이와 함께, 전고체 전지 설계방법론을 누구나 쉽게 사용할 수 있도록 설계도구인 '솔리드엑스셀'을 개발했다. 이 도구는 복잡한 전고체 전지 설계를 직관적이고 체계적으로 돕는 디자인 플랫폼으로, 무상 배포 중이다.

김진수 에기연 박사는 "전고체 전지 범용 설계 방법론을 처음으로 제시하고, 성능 검증을 거친 설계 도구를 개발함으로써, 전고체 전지 설계 준야에 큰 도움이 될 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(7월)'에 게재됐다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr