폭발 위험 없는 전고체전지, 대용량·대면적까지 구현

전기연구원 전자소재·공정연구센터 남기훈 박사팀
'중간층' 기술로 접촉면 불안정 문제 해결
전고체전지 조기 상용화에 기여할 전망

한국전기연구원 전지소재·공정연구센터 남기훈 박사(왼쪽)와 김가람 연구원이 중간층을 만드는 롤프레스 장비 앞에서 성과물을 소개했다.

한국전기연구원(KERI·원장 김남균) 전지소재·공정연구센터 남기훈 박사팀이 전고체전지의 안전성 확보를 넘어 에너지 밀도를 높이고 극판 면적도 크게 높이는 기술을 개발했다.

최근 리튬이차전지 업계에서는 기존 상용 흑연 대신 리튬금속을 음극 소재로 사용하는 연구가 활발하다. 리튬금속은 이론적으로 흑연보다 10배 이상 많은 에너지를 저장해 차세대 배터리 핵심 소재로 주목받는다.

다만 리튬금속은 충전과 방전 중에 표면에서 가지처럼 뾰족하게 자라나는 '수지상 결정(dendrite)'이 형성되면서 전극 간 단락을 일으키고 전지 수명을 크게 떨어뜨리는 문제가 있다.

이는 고체전해질을 사용하는 전고체전지에서도 마찬가지로 발생한다. 리튬금속과 고체전해질 사이 불안정한 접촉면에서 화학적 반응이 쉽게 일어나며, 전지의 안정성과 성능을 크게 제한하는 원인으로 지적된다.

연구팀은 '중간층(Interlayer)'이라는 새로운 기술적 해결책을 제시했다. 리튬을 저장할 수 있는 삼원계 화합물(Li2ZnSb)을 활용해 중간층을 설계한 뒤 이를 얇은 막 형태로 코팅하고 리튬금속 음극 위에 스티커처럼 붙이는 '전사(transfer printing)' 공정을 활용했다.

이 중간층은 리튬금속과 고체전해질 사이에서 완충 역할을 하며 계면의 화학적 불안정성을 효과적으로 억제한다. 연구팀은 금오공대 박철민 교수팀과 협력해 소재의 리튬 저장 메커니즘을 과학적으로 규명하며 기술 완성도를 높여 나갔다.

리튬금속 음극과 전고체전지 사이 중간층 기술 적용 전과 후 개요.

개발한 중간층 설계 기술로 리튬금속 및 고체전해질 간 접촉면 불안정 문제를 해결하고 실제 파우치셀 구조 전고체전지를 제작하는 데 성공했다. 낮은 가압 조건(2MPa)에서 250사이클 동안 92% 이상의 용량 유지율과 320Wh/kg의 높은 에너지 밀도를 달성하는 등 성능 검증도 마쳤다.

성과 특허까지 확보한 KERI는 산학연 공동연구를 통해 개발 기술을 고도화하고 실제 상용 전지 제조 공정에 적합한 기술로 발전시킨다는 계획이다. 대면적 파우치셀 수준의 신뢰성 확보를 위한 장기 성능 평가 및 공정 최적화 연구를 병행함으로써 전고체전지의 조기 상용화에 기여한다는 목표다.

남기훈 박사는 “리튬금속 음극 보호를 위한 중간층 설계는 물론 전사 공정 기반의 대면적 확장 가능성까지 동시에 확보함으로써 산업적 활용도가 높다”고 말했다.

창원=노동균 기자 defrost@etnews.com