나뭇가지 구조로 전고체 전지 성능·수명 개선

포스텍

국내 연구팀이 전고체 전지의 성능을 높일 방법을 나무 성장 방식에서 찾아냈다. 게티이미지뱅크 제공.

고체 전해질을 써 화재 위험이 적어 차세대 배터리로 주목받는 전고체 전지의 성능과 수명을 동시에 끌어올릴 수 있는 전극 구조 기술이 나왔다. 고체 전해질이 전극 내부까지 스며들지 못하는 문제를 구조 설계만으로 해결했다.

포스텍은 김원배 화학공학과·배터리공학과 교수팀이 이상호 국립부경대 화학공학과 교수와 함께 나뭇가지 형태의 3차원 구조를 적용해 전고체 전지 성능을 개선한 전극 기술을 개발했다고 29일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '나노 레터스'에 지난달 3일 게재됐다.

전고체 전지는 액체 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리로 화재 위험이 낮고 안정성이 높아 차세대 기술로 주목받는다. 배터리 전기는 리튬 이온이 전극 사이를 오가면서 만들어진다. 고체 전해질은 액체처럼 전극 내부 구석까지 퍼지지 않아 리튬 이온 이동 공간이 상대적으로 적은 게 단점이다. 그 결과 일부 전극만 반응에 참여해 배터리 충전 속도가 느리고 수명이 짧다.

연구팀은 '나무 가지' 형태 구조를 이용해 고체 전해질의 단점을 보완했다. 틴옥사이드를 가느다란 나노선 형태로 만든 뒤 사방으로 뻗어 자라나도록 유도해 3차원 분지형 구조를 구현했다.

나노선 가지들이 자라며 서로 밀어낼 때 자연스럽게 미세한 틈새 공간이 생긴다. 틈새 공간은 고체 전해질이 전극 내부 깊숙이 들어갈 수 있는 통로 역할을 해 리튬 이온이 전극 안팎을 보다 자유롭게 이동하도록 만들었다. 연구팀은 X선 분석을 통해 고체 전해질이 전극 내부까지 균일하게 침투한다는 것을 확인했다.

성능도 향상됐다. 빠른 충·방전 조건에서 용량이 크게 감소하는 기존 전극과 달리 분지형 전극은 기존 전극에 비해 약 7배 높은 용량을 유지했다. 특히 소재를 바꾸지 않고 구조만으로 성능을 개선했다는 점에서 의미가 있다.

김원배 교수는 "고체 전지 성능 향상은 전극 구조를 머리카락 굵기의 수백 분의 1 수준인 나노·마이크로 수준에서 정밀하게 제어하는 것이 핵심"이라며 "전고체 전지 상용화를 실현할 기술이 되기를 기대한다"고 밝혔다.

<참고 자료>
doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c06212

김민호(왼쪽부터) 포항가속기연구소 연구원, 김원배 포스텍 교수, 이상호 국립부경대 교수. 포스텍 제공.

[조가현 기자,문혜원 인턴기자 gahyun@donga.com,moony@donga.com]