값싼 소재로 차세대 전고체 전지 수명 7배 높여…폭발 위험 없고, 경제성 갖춰

화학연, 이황화몰리브덴 박막을 집전체에 적용
차세대 무음극 전고체 전지 상용화 기여..소형화도

한국화학연구원은 저렴한 2차원 소재 '이황화몰리브덴' 박막을 활용해 차세대 무음극 전고체 전지 수명을 7배 높이는 기술을 개발했다. 화학연 제공

서동범(왼쪽부터) 화학연 박사후연구원(1저자), 안기석 화학연 책임연구원(교신저자), 김도훈 충남대 석사후연구원(1저자), 박상백 충남대 교수(교신저자)

저렴한 2차원 소재를 이용해 차세대 무음극 전고체 전지의 수명을 대폭 높일 수 있는 기술이 개발됐다.

한국화학연구원은 안기석·서동범 박사 연구팀이 박상백 충남대 교수 연구팀과 공동으로 값이 싼 이황화몰리브덴 박막을 무음극 전고체 전지의 집전체에 적용해 수명을 7배 향상시키는 데 성공했다고 1일 밝혔다.

전고체 전지는 액체 전해질이 사용되는 리튬 이온전지와 달리 인화성이 없거나 적은 고체 전해질을 사용해 폭발이나 화재 위험이 없고, 높은 에너지 밀도와 출력을 갖춰 차세대 배터리로 주목받고 있다.

최근에는 음극을 없애고 양극과 고체 전해질, 집전체로 구성된 무음극 전고체 전지에 대한 연구가 진행되고 있다. 무음극 전고체 전지는 첫 충전 시 양극에서 나온 리튬 이온이 집전체에 달라 붙으며 리튬층을 형성해 스스로 음극이 생기도록 하는 방식이다. 음극이 없어 일반 전고체 전지보다 부피를 줄일 수 있어 배터리를 소형화하고, 에너지 저장 용량을 확대할 수 있는 장점이 있다.

다만, 충전할 때 리튬 이온이 집전체에 달라붙어 얇은 음극을 형성했다가 방전되면 다시 리튬 음극층이 없어지는 과정이 반복되는 데, 이 때 음극과 고체 전해질 사이 경계면이 불균일해며 안정성이 떨어져 수명이 짧아지는 단점이 있다. 이를 막기 위해 은·인듐 등 리튬 친화적 박막을 적용했지만, 소재가 비싸고 공정이 복잡해 상용화에 한계가 있다.

연구팀은 귀금속에 비해 가격이 저렴한 아황화몰리브덴 박막을 적용해 스테리인리스강 집전체에 금속 유기화학 기상증착법으로 이황화몰리브덴 나노시트 박막을 정밀한 두께로 코팅했다. 이를 통해 충방전 과정에서 경계면 안정화층이 추가로 생겨 리튬이 특정 부위에 뾰족하게 성장하는 '덴드라이트 현상'을 막고 배터리 수명과 안정성을 높였다.

실험 결과, 집전체에 이황화몰리브덴을 적용한 경우 300시간 이상 안정적으로 작동했으며, 초기 방전 용량은 1.8배, 수명은 7배 높아졌다고 연구팀은 설명했다.

안기석 화학연 박사는 "저렴한 소재를 활용해 기존 귀금속 기반의 전고체 전지의 한계를 극복한 기술"이라며 "연구개발 초기 단계로, 2032년 실용화를 목표로 후속 연구를 이어나갈 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '나노 마이크로 레터스(지난 4월 18일)' 온라인에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr

이준기기자 bongchu@dt.co.kr