‘꿈의 전지’ 막던 벽이 무너졌다…국내 연구진, 전고체전지 상용화 핵심 난제 돌파

남기훈 박사팀, 나노 주석 중간층 스티커 공법 적용
낮은 압력에도 고성능 유지…세계 최고 권위지 표지

(왼쪽부터)남기훈 선임, 하윤철 책임, 김영오 선임, 임소정 학생연구원. 사진 제공=한국전기연구원

전고체전지 상용화의 최대 걸림돌이었던 리튬 금속 음극과 고체전해질 사이의 ‘계면 불안정’ 문제를 해결할 수 있는 획기적인 기술이 국내 연구진이 개발했다. 무거운 가압 장치 없이도 고성능을 낼 수 있어 전기차 등 미래 모빌리티 산업의 게임체인저가 될 전망이다.

한국전기연구원(KERI) 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 성공했다. 관련 성과는 에너지·재료 분야 세계 상위 2.7%에 해당하는 최고 권위의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’의 전면 표지 논문으로 최근 선정됐으며 세계적인 주목을 받았다.

전고체전지는 화재 위험이 없어 ‘꿈의 전지’로 불리지만 고성능화를 위해 흑연 대신 리튬 금속을 음극으로 쓸 경우 고체전해질과의 접촉면에서 이온 이동이 방해받는 ‘계면 저항’이 발생한다. 이를 억제하고자 그동안 실험실 수준에서 수십 메가패스칼(MPa)에 달하는 고압 가압 장치를 외부에서 가해 왔다. 하지만 이 방식은 장치 무게 탓에 차량 공간 효율을 떨어뜨리고 제작 비용을 높이는 원인이 돼 상용화의 큰 걸림돌로 지목돼 왔다.

연구팀은 리튬을 잘 끌어당기는 ‘나노 주석 분말’을 활용해 얇은 중간층을 만든 뒤, 이를 스티커처럼 찍어내는 ‘전사 공정’으로 리튬 음극 표면에 정밀하게 밀착시켰다. 이 중간층은 리튬 금속의 물리적 손상을 막는 동시에 이온이 빠르게 이동하는 ‘고속도로’ 역할을 하며 전지의 저항을 획기적으로 낮췄다.

기술의 완성도는 수치로 증명됐다. 연구팀이 해당 기술을 대면적 파우치 셀에 적용한 결과, 약 20kg의 무게만 실리는 2MPa의 낮은 압력 조건에서도 500회 충·방전 동안 81% 이상의 우수한 용량 유지율을 달성했다. 특히 에너지 밀도는 351Wh/kg을 기록하며 기존 상용 리튬 이온 전지(150~250Wh/kg) 수준을 크게 넘어섰다.

이번 연구는 실험적 성과에 그치지 않고, 김영오 KERI 박사의 시뮬레이션을 통해 주석 합금이 리튬 이동을 제어하는 원리를 원자 수준에서 규명해 이론적 완성도까지 높였다.

남 박사는 “상용화의 핵심인 대면적 확장성과 계면 안정성을 동시에 확보한 실질적인 해법”이라며 “전기차와 휴머노이드 등 미래 산업의 핵심 동력이 되도록 기술을 고도화하겠다”고 말했다.

KERI가 나노 주석 중간층 도입을 통해 전고체전지 충방전 시 발생하는 리튬 수지상 성장을 억제하는 방법. 사진 제공=한국전기연구원

창원=박종완 기자 wan@sedaily.com