금오공대, 전고체전지 ‘저압 구동’ 음극소재 개발
3MPa 조건서 세계 최고 수준 성능 입증
국립 금오공과대학교 박철민 교수 연구팀이 전고체 리튬전지 상용화를 가로막던 핵심 난제를 동시에 해결할 수 있는 고성능 음극 소재를 개발했다.
연구팀은 전고체전지의 고질적 문제로 꼽혀온 '리튬 수지상 형성'과 '전극–전해질 계면 불안정성'을 근본적으로 개선한 리튬–갈륨(Li–Ga) 화합물 기반 음극 소재를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 성과는 에너지·소재 분야 국제학술지 Advanced Energy Materials 3월호에 게재됐으며 표지 논문으로도 선정됐다.
전고체전지는 액체 전해질을 사용하지 않아 화재 위험이 낮은 차세대 배터리로 주목받지만, 리튬 금속 음극을 적용할 경우 충·방전 과정에서 나뭇가지 형태의 리튬 결정이 자라는 '수지상' 문제가 발생해 성능 저하와 안전성 문제가 뒤따른다. 또한 전극과 전해질 사이 계면 분해 반응까지 겹치며 안정적인 구동이 어려운 한계가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 리튬–갈륨 이원계 화합물에 주목하고, 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 가장 안정적인 LiGa 단일 화합물 구조를 도출했다. 해당 구조는 입방정 결정 내 다수의 리튬 확산 경로를 확보해 높은 이온·전자 전도성과 열역학적 안정성을 동시에 구현하는 것으로 확인됐다.
특히 상용화의 큰 장애 요인이었던 '고압 구동' 문제도 해결했다. 기존 합금계 음극은 전극 간 접촉 유지를 위해 20 MPa 이상의 높은 압력이 필요했지만, 이번에 개발된 소재는 3 MPa의 낮은 압력에서도 안정적인 계면 특성을 유지했다. 이는 별도의 대형 가압 장치 없이도 전고체전지 구현이 가능함을 의미하며, 배터리 시스템 경량화와 에너지 밀도 향상에 기여할 수 있는 핵심 기술로 평가된다.
실제 성능 검증에서도 세계 최고 수준의 결과를 확보했다. 연구팀은 해당 음극과 NCM 양극, 황화물계 고체전해질을 결합한 전고체전지 풀셀을 제작해 면적당 용량 14.47 mAh/㎠를 달성했으며, 저압 조건에서 수백 회 이상 충·방전을 반복하는 동안 수지상 없이 안정적인 수명 특성을 유지했다. 또한 상온뿐 아니라 55℃ 고온 환경에서도 안정적인 구동 성능을 입증하고, 파우치셀 테스트를 통해 대면적 시스템 적용 가능성까지 확인했다.
박철민 교수는 "저압 환경에서 계면 안정성과 이온·전자 전도성을 동시에 확보하기 어려웠던 기존 한계를 극복했다"며 "향후 다양한 전극 시스템으로 기술을 확장해 전고체전지 상용화를 앞당기겠다"고 밝혔다.