KERI, ‘나노 주석 중간층 제어 기술’로 전고체전지 난제 해결

‘Advanced Energy Materials’ 표지 논문

(왼쪽부터)남기훈 선임, 하윤철 책임, 김영오 선임, 임소정 학생연구원ⓒKERI

한국전기연구원(KERI)이 전고체전지 상용화를 가로막던 핵심 난제인 계면 불안정 문제를 해결하는 기술 개발에 성공했다. 나노 주석 중간층을 활용해 실용화 가능성을 입증했다.

KERI는 전지소재·공정연구센터 남기훈 박사팀이 차세대 전지인 전고체전지 상용화를 가로막던 리튬 금속 음극과 고체전해질 사이의 계면 불안정 문제를 ‘나노 주석(Sn) 중간층 제어 기술’로 해결하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.

전고체전지는 화재 위험이 없어 꿈의 전지로 불리지만, 고성능화를 위해 기존 흑연 대신 리튬 금속을 음극으로 사용할 경우, 고체전해질과의 물리적 접촉이 완벽하지 않아 이온 이동이 방해를 받는 계면 저항이라는 고질적인 문제가 발생한다.

또 충·방전 중 리튬이 나뭇가지 모양으로 비정상적으로 자라나는 수지상 성장(덴드라이트)이 형성돼 전지의 수명을 단축시키는 한계가 있다.

그간 업계에서는 고체 간 접촉을 유지하기 위해 실험실 수준에서 고압의 물리적 힘을 외부에서 가하거나 고가의 복잡한 코팅 기술을 사용해 왔다.

그러나 이러한 고압력 구동 조건을 실제 전기차 등에 적용할 경우 전지보다 가압 시스템이 더 무거워질 수 있다. 이는 제작 비용의 급격한 증대와 차량 내 공간 효율 저하로 직결되어 전고체전지 상용화의 가장 큰 걸림돌이 돼 왔다.

KERI는 이를 극복하기 위해 리튬을 잘 끌어당겨 저장하는 나노 주석 분말(nano Sn)을 활용해 얇은 중간층(Interlayer)을 만들었다.

아울러 중간층을 찍어내는 전사 공정을 통해 리튬 금속 음극 표면에 정밀하게 밀착시켰다.

중간층은 리튬 금속에 가해지는 물리적 손상을 없애주고 이온이 빠르게 이동할 수 있는 고속도로 역할을 하여 전지의 저항을 크게 낮춰준다.

연구팀은 해당 기술을 대면적 파우치 셀에 적용했고 1㎠당 약 20㎏의 무게만 실리는 2MPa의 낮은 압력 조건에서도 무려 500사이클 동안 81% 이상의 우수한 용량 유지율을 달성했다.

더불어 351Wh/㎏의 높은 에너지 밀도를 기록하며 기존 상용 리튬이온전지 수준인 150~250Wh/kg)을 넘어서는 성능을 증명했다.

무거운 장치나 비용 부담 없이도 성능을 극대화할 수 있는 전고체전지 실용화 가능성을 제시한 세계 최고 수준의 성과다.

이번 연구는 KERI 차세대전지연구센터의 신진 연구자인 김영오 박사가 개발한 제1의 원리 계산 기반의 시뮬레이션을 통해 주석 합금이 리튬 이동을 어떻게 제어해 계면 저항을 낮추는지를 원자·전자 구조 수준에서 완벽하게 규명했다.

실험 중심의 성과를 넘어 고도화된 이론 계산과학 역량을 바탕으로, 차세대 전지 소재 설계의 과학적 원리를 선도적으로 입증한 성공 사례다.

남기훈 박사는 “전고체전지 상용화의 핵심인 대면적 확장성과 계면 안정성을 동시에 확보하여 실질적인 해법을 제시했다는 데 의의가 있다”며 “기술이 전기차나 휴머노이드, 에너지저장장치(ESS) 등 고성능 전지가 필요한 미래 산업의 핵심 동력이 될 수 있도록, 실제 상용 제조 공정에 적합하게 기술을 더욱 고도화하겠다”라고 밝혔다.

성과는 에너지·재료 분야 세계 상위 2.7%에 해당하는 최고 권위의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’의 전면 표지 논문으로 선정됐다.

한편, 이번 연구는 KERI 기본사업 및 과학기술정보통신부 글로벌탑전략연구단(GT-3) 과제의 지원으로 수행됐다.