스티커 찍듯 붙인 나노 보호층, 전고체전지 상용화 걸림돌 해결

한국전기연구원

왼쪽부터 남기훈 전기연 선임연구원, 하윤철 책임연구원, 김영오 선임연구원, 임소정 학생연구원. 전기연 제공

국내 연구진이 화재 위험이 적어 차세대 배터리로 주목받는 전고체전지의 고질적 약점인 리튬 금속 음극과 고체전해질 사이의 접촉 불량을 해결할 방안을 제시했다. 나노 주석 보호층을 스티커처럼 찍어 붙이는 간단한 방식이다.

한국전기연구원(전기연)은 남기훈 전지소재·공정연구센터 선임연구원팀이 나노 주석 중간층 기술로 전고체전지의 계면 불안정 문제를 해결했다고 27일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 표지 논문으로 선정됐다.

전고체전지는 불이 붙을 수 있는 액체 전해질을 고체로 바꿔 화재 위험을 없앤 차세대 배터리다. 에너지를 더 많이 담기 위해 음극 소재를 기존 흑연에서 리튬 금속으로 바꾸면 성능은 더 좋아지지만 고체끼리 맞닿는 면이 완벽하게 밀착되지 않아 리튬 이온이 오가는 길이 막히는 문제가 생긴다. 충전과 방전을 반복하면 리튬이 나뭇가지 모양으로 비정상적으로 자라나 전지 수명을 줄이는 현상도 나타난다.

기존에는 고체끼리 빈틈없이 붙도록 전지 바깥에서 강한 힘으로 눌러주는 방식으로 접촉 문제를 해결했다. 전기차에 적용하면 배터리보다 눌러주는 장치가 더 무거워질 수 있어 비용과 공간 효율 모두 떨어진다. 비싸고 코팅 기술도 복잡해 대량 생산은 어렵다.

연구팀은 리튬을 잘 끌어당기는 성질이 있는 나노 주석 가루로 얇은 중간층을 만들었다. 중간층을 판박이 스티커를 찍듯 리튬 금속 표면에 밀착시키는 간단한 공정을 적용했다. 중간층이 리튬 금속과 고체전해질 사이의 빈틈을 메워 리튬 이온이 막힘없이 오갈 수 있는 통로를 만들어준다. 리튬이 비정상적으로 자라나는 현상도 억제된다.

제품과 비슷한 크기의 파우치 셀에 적용한 결과 기존 실험실에서 쓰던 압력의 10분의 1 수준인 2메가파스칼(MPa, 1제곱센티미터당 약 20kg)의 낮은 압력에서도 500번 충전과 방전을 반복한 뒤 처음 용량의 81% 이상이 남았다. 

같은 무게로 얼마나 많은 에너지를 담을 수 있는지를 나타내는 에너지 밀도는 351와트시퍼킬로그램(Wh/kg, 1kg당 저장할 수 있는 에너지량)으로 현재 쓰이는 리튬이온배터리의 에너지 밀도(150~250Wh/kg)를 크게 넘어선다.

연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션으로 주석 합금이 리튬 이온의 이동을 어떻게 돕는지를 원자 수준에서 밝혀내 실험 결과를 이론적으로도 뒷받침했다.

남기훈 선임연구원은 "전고체전지 상용화의 핵심인 대면적 확장성과 계면 안정성을 동시에 확보한 실질적 해법"이라며 "전기차, 휴머노이드, 에너지저장장치 등 고성능 전지가 필요한 미래 산업에 적용할 수 있도록 기술을 더 고도화하겠다"고 말했다.

[임정우 기자 jjwl@donga.com]