“무거운 누름 장치 뺐다”… 포스텍, 전기차 주행거리 늘릴 '초저압' 전고체 배터리 개발

맥신·실리콘·은 결합한 '똑똑한 완충재' 계면층 개발 성공
기존 수십 기압 필요하던 구동압을 0.2MPa 초저압으로 획기적 감소
가압 장치 제거로 전기차 가벼워지고 주행거리 대폭 향상 기대

전고체 배터리를 안정적으로 사용하려면 배터리 내부를 강하게 눌러 줄 장치가 필요한데 최근 포스텍 연구팀이 배터리를 강하게 누르지 않아도 안정적으로 작동하는 박막 계면층 개발에 성공했다.

포스텍은 박수진 화학과 교수, 송영진 박사 연구팀과 조창신 배터리공학과·화학공학과 교수, 화학공학과 박사과정 홍정수 씨 연구팀이 맥신(MXene)과 실리콘(Si), 은(Ag)을 결합한 박막 하이브리드 계면층을 만들고, 황화물계 전고체 배터리의 높은 압력 의존성을 낮추는 데 성공했다고 14일 밝혔다.

(왼쪽부터) 박수진 교수, 송영진 박사, 조창신 교수, 박사과정 홍정수 씨

'전고체 배터리'는 불이 붙기 쉬운 액체 대신 고체 전해질을 사용한다. 안전성이 높고, 에너지도 더 많이 담을 수 있다. 그중에서도 '황화물'로 만든 고체 전해질은 성능도 아주 뛰어나다. 하지만 배터리를 충전하고 방전할 때마다 전극 부피가 조금씩 변하면서 맞닿아 있던 계면에 미세한 틈이 생긴다. 이 틈은 전기가 흐르는 길을 방해하고 배터리 성능을 떨어뜨려 수십 기압에 달하는 강한 힘으로 계속 눌러줘야 한다. 하지만 이렇게 누르려면 무겁고 부피가 큰 장치가 따로 필요해 실용성이 떨어진다.

연구팀은 힘으로 누르는 대신 '똑똑한 완충재'로 해결했다. 리튬 음극과 고체 전해질 사이에 2~4㎛(마이크로미터) 두께의 얇은 층을 끼워 넣은 것이다. 이 층은 세 가지 재료로 구성된다. 얇은 판이 겹겹이 쌓인 구조의 '맥신'은 부피가 변할 때 유연하게 휘어지며 틈이 생기지 않도록 하는 스펀지 같은 역할을 한다

황화물계 전고체 내 적용된 맥신-실리콘-은 계면층

결과는 뚜렷했다. '맥신-실리콘-은(MXene-Si-Ag) 하이브리드 계면층'을 적용한 배터리는 기존 전고체전지에서 요구되던 수십 MPa(메가파스칼) 수준의 구동압을 0.2MPa 남짓까지 힘을 확 낮춰도 끄떡없었다. 그동안 실리콘 소재를 도입한 전고체전지는 5MPa의 높은 구동압에서만 작동했으며, 0.2MPa의 초저압에서 구동하는 전고체전지는 아직까지 보고된 사례가 없다.

이번 성과는 앞으로 더 가볍고 안전한 전기차 배터리를 만드는 데 밑거름이 될 것으로 보인다. 배터리를 억지로 눌러줄 무거운 장치가 사라지면, 그만큼 차는 가벼워지고 주행거리는 늘어난다.

박수진 교수는 “황화물계 전고체 배터리의 실용화를 위해서는 우수한 전기화학적 성능뿐만 아니라 높은 외부 압력에 대한 의존도를 낮추는 것이 중요했다”라고 말했다. 또, 조창신 교수는 “계면 자체 소재와 구조 설계를 통해 안정적인 전고체 배터리를 구현하는 새로운 방향을 제시할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 게재됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com