전기연구원, 전고체전지 상용화 걸림돌 ‘계면 불안정’ 해법찾았다

남기훈 박사팀, 나노 주석 분말활용한 중간층 만들어 해결
‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 전면 표지 논문 선정

한국전기연구원(KERI)이 화재 위험이 없어 ‘꿈의 전지’로 불리는 전고체전지 상용화의 걸림돌이던 리튬 금속 음극과 고체전해질 사이의 ‘계면 불안정’ 문제를 해결했다고 27일 밝혔다. 해당 내용은 에너지·재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 전면 표지 논문으로 선정됐다.

전지소재·공정연구센터 남기훈 박사팀은 전고체 전지의 고성능화를 위해 기존 흑연 대신 리튬 금속을 음극으로 사용할 때 고체전해질과의 물리적 접촉이 완벽하지 않아 이온 이동이 방해를 받는 계면 저항 문제를 나노 주석 분말층을 활용해 해결했다고 설명했다.

그간 업계에선 액체 전해질에서 충·방전 중 리튬이 나뭇가지 모양으로 비정상적으로 자라나는 ‘수지상 성장’(덴트라이트)이 형성돼 분리막을 뚫고 양극과 음극을 접촉시켜 화재로 이어지는 위험이 있었다. 전고체전지는 고체 전해질을 사용해 이런 현상이 줄어들고 액체전해질일 때에 비해 화재 위험이 크게 줄어들지만, 여전히 덴트라이트 현상이 전지의 수명을 단축시킬 수 있다는 한계가 있었다.

이에 업계에서는 수십 메가파스칼(MPa)에 이르는 고압의 물리적 힘을 가하거나 고가의 복잡한 코팅기술로 문제를 해결하는 방법을 연구해왔다. 다만 고압력 조건의 경우 전지보다 가압 시스템이 더 무거워져 실제 전기차 등에 적용하기 어렵고 비용증대, 공간효율 저하로 이어져 상용화 과정에 난제로 지적돼왔다.

연구팀은 ‘나노 주석 분말’(nano Sn)을 활용해 얇은 중간층을 만드는 방식으로 이 문제를 해결했다고 설명했다. 리튬을 잘 끌어당겨 저장하는 성질을 활용한 것이다. 또 중간층을 판박이 스티커처럼 찍어내는 ‘전사’(Transfer Printing) 공정으로 리튬 금속 음극 표면에 정밀하게 밀착시켰다.

그 결과 중간 층은 리튬 금속에 가해지는 물리적 손상을 없애고(계면저항을 해소하고), 이온이 빠르게 이동할 수 있는 고속도로 역할을 해 전지 저항을 크게 낮춰주는 것으로 나타났다.

연구팀은 이같은 나노 주석 중간층 제어기술을 대면적 파우치 셀에 적용해 1㎠당 약 20㎏의 무게만 실리는 2MPa의 낮은 압력 조건에서도 무려 500사이클 동안 81% 이상의 우수한 용량 유지율을 달성했다고 설명했다.

더불어 351Wh/㎏의 높은 에너지 밀도를 기록, 기존 상용 리튬이온전지 수준(150∼250Wh/㎏)을 넘어서는 성능을 증명했다.

남기훈 박사팀은 이 기술이 전기차나 휴머노이드, 에너지저장장치(ESS) 등 고성능 전지가 필요한 미래 산업의 핵심 동력이 될 수 있도록 실제 상용 제조공정에 적합하게 기술을 더 고도화할 계획이다.

‘전고체전지의 계면 불안정 해결’과 관련해 챗 GPT가 그린 일러스트 이미지. 접촉불량, 균열이나 덴트라이트 생성(왼쪽)의 문제를 해결해 이온이 잘 이동하는 모습(오른쪽)을 형상화했다.

임재섭 기자 yjs@dt.co.kr