대용량 전고체전지 제조 기술 확보 '상용화' 성큼

전기연 남기훈 박사팀, 실용화 수준 파우치셀 전고체전지 제작·성능 검증

한국전기연구원(이하 전기연)이 대용량이면서도 안전한 전고체전지 제조 기술을 개발했다.

전기연은 전지소재·공정연구센터 남기훈 박사팀이 화재·폭발 위험이 적고, 극판 면적도 크게 넓혀 대용량 전고체전지를 만들 수 있는 획기적인 기술을 확보했다고 11일 밝혔다.

리튬금속은 이론적으로 흑연보다 10배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있다. 그래서 최근 리튬 이차전지 업계에서는 기존 상용 흑연 대신 '리튬금속'을 음극 소재로 사용하는 연구가 활발하다. 리튬금속은 충전과 방전 중 표면에서 가지처럼 뾰족하게 자라나는 '수지상 결정(dendrite)'이 형성돼 전극 간 단락(쇼트)을 일으키고 전지 수명을 크게 떨어뜨린다. 이 같은 현상은 액체 전해질 리튬금속 이차전지뿐만 아니라 고체 전해질을 사용하는 전고체전지에서도 발생한다. 전고체전지에서는 특히 리튬금속과 고체 전해질이 맞닿는 접촉 면에서 화학적 반응이 쉽게 일어나 안정성과 성능을 떨어뜨린다.

남기훈 KERI 박사(왼쪽)와 김가람 연구원(UST 석사과정 졸업)이 중간층을 만드는 롤프레스 장비 앞에서 연구 성과물을 들어 보이고 있다. /한국전기연구원

연구자들은 고가의 코팅 기술을 도입이나 복잡한 구조 설계로 문제 해결에 노력하고 있지만 실험실 수준에 머무르고 있다.

남기훈 박사팀은 '중간층(Interlayer)'으로 이 문제를 해결하는 데 성공했다. 리튬을 저장할 수 있는 삼원계 화합물(Li2ZnSb)로 중간층을 제작, 이를 얇은 막 형태로 코팅해 리튬금속 음극 위에 스티커처럼 붙이는 '전사(transfer printing)' 공정을 활용했다. 이 중간층이 리튬금속과 고체 전해질 사이에서 완충 역할을 해 경계면의 화학적 불안정성 문제를 해결한 것이다.

연구팀은 개발한 중간층 설계 기술로 실제 파우치셀 구조 전고체전지를 제작해 높은 에너지밀도 전지 성능 검증까지 마쳤다.

한국전기연구원 남기훈 박사팀이 개발한 전고체전지 '중간층' 개념도. /한국전기연구원

특허를 확보한 전기연은 앞으로 산학연 공동연구로 기술을 더 고도화하고, 상용 전지 제조 공정에 적합한 기술로 발전시켜 전고체전지 조기 상용화에 이바지하기로 했다.

이 연구결과는 미국 화학회(American Chemical Society)가 발행하는 세계적 학술지인 'ACS Energy Letters'에 실려 학계와 업계의 관심을 끌고 있다.

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

하윤철 차세대전지연구센터장은 "고에너지 밀도와 긴 수명, 안정성을 요구하는 미래 모빌리티·에너지저장장치(ESS) 산업에서 이 기술을 주목할 것"이라고 말했다.

/조재영 기자