KETI, 전고체전지 보호층 기술로 전기차 화재 위험 낮춘다

에너지·화학 국제 학술지 논문 게재
실리콘 분말로 리튬이온 침전 방지
“배터리 에너지밀도 증가·안전성 확보”

ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters) 최신호 커버.

한국전자기술연구원(이하 KETI, 원장 신희동)은 고려대 유동주 교수팀, 성균관대 윤원섭 교수팀과 함께 전고체전지의 에너지 밀도와 안정성을 증가시키는 리튬금속 보호층 기술 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.

전고체전지는 기존 리튬 2차전지와 달리 고체 형태 전해질로 구성되기 때문에 폭발 위험이 없어 안전하면서도 에너지 밀도가 높다는 장점이 있어 현재 기술 상용화를 위한 범국가적 연구개발(R&D) 경쟁이 치열하다.

그 중 리튬금속 음극은 기존 흑연 음극에 비해 에너지 밀도가 높은 최적의 소재임에도 불구하고 전해질과 리튬금속 사이에서 부반응이 발생하며, 충전 시 음극 표면에 덴드라이트(Dendrite, 리튬 이온이 음극 표면에 나뭇가지 모양으로 과도하게 축적되는 현상)가 발생하기 때문에 전지 폭발 같은 화재 가능성이나 전지수명을 저하시킨다는 문제점을 안고 있었다.

KETI 차세대전지연구센터(센터장 유지상)는 나노 입자의 실리콘 분말을 활용해 높은 이온 전도성을 가진 리튬금속 보호층을 개발해 리튬금속 전고체전지의 출력 성능을 향상시켰다.

기술 개발을 주도한 이긍종 연구원과 최승호 박사(선임연구원)에 따르면 나노 사이즈의 실리콘 분말로 구성된 보호층은 리튬금속과 실리콘·리튬합금을 형성해 음극 표면의 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있음을 확인했다.

또 이번 연구를 통해 개발된 합금 보호층 기술을 제작 공정에 적용해 높은 출력 환경에서의 안전성을 확보했다. 파우치형 셀 검증을 통해 기술 상용화 가능성을 증명할 수 있었다.

연구 결과는 에너지·화학 분야의 저명한 국제 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF=19.3)’ 최신호(8월 발간)에 게재되는 성과를 냈다.

유지상 KETI 차세대전지연구센터장(교신저자)은 “전고체전지의 에너지 밀도를 높이기 위해서는 리튬금속 음극의 적용이 필수적이나, 리튬 덴드라이트 현상은 전지 개발의 큰 걸림돌로 작용해 왔다”며 “KETI 연구진이 개발한 리튬금속 보호층 기술은 향후 대면적화가 가능해 전고체전지 성능을 향상시키는 핵심 기술이 될 것”이라고 밝혔다.

한편 본 연구 성과는 산업통상자원부·한국산업기술기획평가원 지원을 받은 자동차 산업 기술개발 사업과 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 STEAM 연구사업을 통해 개발됐다.