‘꿈의 배터리’ 상용화 단초 될까…전기硏, 전고체전지용 새 음극재 개발

전기연구원 차세대전지연구팀
톱학술지 ‘줄’에 표지논문 실려
기존 리튬이온전지 대비
면적당 용량 5배 높아

연구팀의 ‘FeSn2 전고체전지 음극재’ 연구결과가 상위 1퍼센트 국제 학술지인 ‘줄’ 10월호 표지논문으로 게재됐다. [사진=한국전기연구원]

전고체전지는 에너지 밀도가 높고 화재 위험이 적어 ‘꿈의 배터리’로 불린다. 그러나 아직 상용화 단계에 이르지 못했다. 최적의 고성능 음극재를 아직 찾지 못해서다. 국내 연구팀이 전고체전지 상용화를 이끌 새 음극재를 개발했다는 연구결과를 내놨다.

하윤철 한국전기연구원 차세대전지연구센터장 연구팀은 21일 리튬금속 등에 치우쳤던 기존 음극재 연구 관행에서 벗어나 주석 기반 합금계 소재의 새 음극재를 개발했다는 연구 결과를 국제 학술지 ‘줄’에 발표했다고 밝혔다. 줄은 저널인용지표(JCR) 상위 1% 학술지다. 연구는 10월호 표지 논문으로 선정되는 등 우수성을 인정받았다.

개발한 음극재는 ‘주석-철 화합물(FeSn2)’을 기반으로 한다. 연구팀은 기계적 특성 분석을 통해 FeSn2가 반복적인 충방전을 겪으면 입자가 작아지는 특성이 있다는 것을 발견했다.

이를 통해 전고체전지에서 내부 고체 입자들 간의 접촉을 장기간 밀접하게 유지하고, 치밀하고 균일한 전극을 형성하는 것을 확인했다. FeSn2은 높은 탄성과 변형에너지를 가져 외부 자극이 가해져도 균열 없는 것으로 확인됐다. 높은 전기화학적 안정성을 가진 것이다.

이 음극재로 만든 전고체전지는 기존 리튬이온전지 대비 5배 높은 면적당 용량을 자랑한다. 1kg당 255와트시(Wh)의 높은 에너지 밀도를 보였다. 리튬이온전지가 보통 kg당 200~300Wh의 에너지 밀도를 갖는 점을 감안할 때 충분한 상업적 가능성을 증명한 것이다.

1000회 이상의 급속 충방전에도 70~80% 이상 높은 용량 유지율을 기록하는 등 전고체전지 상용화의 새 가능성을 보여줬다는 평가다.

전고체전지는 전지 양극과 음극 간 이온을 전달하는 전해질을 액체가 아닌 고체를 쓴다. 리튬이온전지는 전해질이 액체다. 고온에서 반응을 일으키면 가스로 변해 폭발할 수 있다. 고체는 이런 위험이 낮다.

다만 상용화를 위한 과제가 남아 있다. 고체란 특성상 충방전 과정에서의 안정성 확보 등을 위해 높은 기술력이 요구된다. 특히 음극은 전지의 충전 속도와 수명에 큰 영향을 미친다. 어떤 소재가 쓰이는지가 매우 중요하다.

현재 음극재로 리튬금속이 가장 많이 연구된다. 하지만 리튬금속은 충방전을 거듭할수록 리튬 표면에 나뭇가지 모양의 형태로 리튬이 자라나는, 일명 ‘수지상 성장’이 발생한다. 내부 단락을 일으키는 등 전지의 수명과 안정성을 위협하는 원인이 된다. 리튬금속 외에 실리콘 음극재도 대안으로 제시되나 낮은 전자 및 이온 전도도, 부피 팽창으로 인한 균열 등의 문제를 지녔다.

연구팀의 이번 연구결과는 전고체전지 상용화를 위한 새 음극재를 제시했다는데 의미가 있다. 더 큰 크기의 전고체전지에서도 성능을 유지하는지 검증하는 것이 남은 과제다.

하 센터장은 “주석 기반 합금계 음극재의 큰 잠재력을 입증했다”면서 “더 큰 전지를 만들려면 새 음극재 외에도 다른 요소기술들도 필요하다”고 밝혔다.

하윤철 전기연구원 차세대전지연구센터장. [한국전기연구원 제공]