전고체 배터리 성능 향상 '친환경 집전체' 개발…알루미늄 포일 대비 충전효율 20% ↑

전남대·생기원 공동 개발…높은 충전 용량 유지
연구팀 “폭발 방지 등 안전한 이차전지 주목”

윤창훈 전남대 교수팀의 접전체 동작 메커니즘.

국내 연구진이 '꿈의 배터리'라 불리는 전고체 전지의 성능을 크게 향상시키는 친환경 집전체를 개발했다. 최근 잇따른 전기자동차 폭발 사고로 불타지 않는 안전한 이차전지에 대한 관심이 높아진 상황에서 나온 연구 결과여서 주목받고 있다.

전남대학교는 윤창훈 고분자융합소재공학 교수팀이 임진섭 한국생산기술연구원(생기원) 박사팀과 공동으로 고체 전해질과 리튬코발트산화물(LCO)을 기본으로 니켈(Ni)과 망간(Mn)이 결합돼 있는 삼원계(NCM) 활물질로 구성한 양극재에 신개념 3차원(D) 집전체를 적용한 고성능 전고체 전지를 개발했다고 1일 밝혔다.

리튬이온전지의 가연성 전해질 용액을 고체로 바꾼 전고체 전지 배터리 팩에 구멍이 뚫려도 폭발하지 않는다. 하지만 고체 전해질의 특성상 통상적인 리튬이온전지 보다 낮은 이온 전도도를 보인다. 전고체 전지는 배터리 출력이 낮고 고속 충전 시 충전 용량이 감소하는 치명적인 단점을 갖고 있다. 이는 전기차 주행 시 가속과 감속 성능이 떨어지고 동일한 전기 에너지를 충전하는 데 더 많은 시간이 걸린다는 의미다.

집전체는 전지를 충·방전할 때 배터리 내부 활물질에서 전기 화학 반응이 원활하게 일어날 수 있도록 전자의 출입을 돕는 역할을 한다. 머리카락보다 얇은 10 마이크로미터 두께의 알루미늄 포일을 주로 사용한다.

연구팀은 3D 입자 형태의 고체 활물질과 2차원 구조를 갖는 집전체 사이의 물리적 접촉이 힘든 전고체 배터리의 구조에 주목했다. 집전체와 접촉하지 않은 활물질은 전기 화학 반응에 참여할 수 있는 가능성이 낮아 제 성능을 내지 못하기 때문이다.

이러한 한계를 극복하기 위해 전기 화학 안정성이 뛰어나고 전자를 잘 이동시키는 20 나노미터(㎚) 굵기의 셀룰로스-탄소나노선 복합소재로 구성한 3D 다공성 구조물을 도입한 집전체를 개발했다. 이러한 미세 다공성 집전체는 전고체 배터리 활물질 입자를 그물처럼 감싸줘 접촉 면적을 증가시켜 저항을 감소시키고 결과적으로 이온 전도도를 높였다.

윤창훈 전남대 교수(왼쪽)와 임진섭 한국생산기술연구원 박사.

연구팀이 개발한 3D원 집전체를 이용한 전고체 전지는 알루미늄 포일을 이용한 전지 대비 약 20% 증가한 충전 용량을 보였다. 특히 1.0커런트-레이트(C-rate·배터리 충방전률)의 고속 충전 조건에서 2배 이상 높은 충전 용량을 보였다. 100 사이클 내구성 평가후 40% 이상 향상된 용량 유지율을 보였다.

3D 집전체는 기존 알루미늄 포일 위에 셀룰로스-탄소나노선 분산액을 1 마이크로미터 두께로 코팅해 젝작해 기존 코팅 공정에 호환이 잘 되고 대면적 생산도 가능하다. 무엇보다 셀룰로스-탄소나노선 분산액은 물, 천연 펄프, 탄소나노선을 이용해 친환경적인 방법으로 만든 소재로 환경 오염이나 인체 유해성 문제가 없다. 기공성 구조이기 때문에 배터리의 무게나 부피를 크게 증가시키지 않는다는 장점도 가지고 있다.

이번 연구 결과 논문은 영국왕립화학회(RSC)가 발행하는 에너지&연료전지 분야 저널인용보고서(JCR) 상위 10% 이내의 국제학술지 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이' 온라인판에 최근 게재됐다.

윤창훈 교수는 “배터리 연구 인프라가 잘 갖춰진 생기원과 협업해 비교적 빠른 시간에 좋은 성과를 얻을 수 있었다”며 “고체 입자 형태의 활물질을 갖는 모든 전고체 배터리에 적용이 가능하기 때문에 파급력이 클 것”이라고 말했다.

광주=김한식 기자 hskim@etnews.com