국내 연구진이 새로운 형태의 전고체(All-Solid-State) 이차전지용 전극 구조를 개발했다.

한국전자통신연구원(ETRI)과 대구경북과학기술원(DGIST) 공동연구팀은 활물질 간 원활한 리튬이온 확산 특성을 규명, 새로운 형태의 전고체 이차전지용 전극 구조를 설계했다고 밝혔다. 에너지밀도를 대폭 높일 수 있어 고성능 전고체 이차전지를 구현 가능한 기술이다.

본 성과는 미국화학회(ACS) 에너지분야 국제 학술지 『ACS 에너지 레터스』에 지난달 온라인 등재됐다.

한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 일차전지와 달리, 이차전지는 스마트폰 배터리처럼 방전되어도 충전해 반복 사용이 가능하다. 최근 전자기기의 급격한 발전에 따라 로봇, 전기차, 에너지 저장장치(ESS), 드론 등에 이차전지 기술의 중요성이 더욱 커지는 상황이다.

전고체 이차전지는 배터리 전극에서 이온을 전달하는 전해질로 고체를 활용하는 차세대 전지다. 고체 전해질은 자칫 화재가 날 수 있는 액체 전해질보다 안전하다. 또한, 바이폴라형 이차전지를 구현하여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

기존 복합 전고체 전극(왼쪽) / ETRI 연구진이 개발한 이온 확산 기반 전고체 전극(오른쪽).

일반적으로 사용되는 전고체 이차전지의 전극 구조는 이온 전도를 담당하는 고체전해질, 전자 전도를 담당하는 도전재, 에너지 저장을 담당하는 활물질, 그리고 이들을 물리적, 화학적으로 잡아주는 바인더로 구성된다.

하지만 ETRI 연구진은 실험을 통해 흑연 활물질 입자 간에도 이온이 전달되는 것을 확인하며 활물질과 바인더로만 구성된 새로운 형태의 전고체 이차전지용 전극 구조를 제안했다.

기존 흑연 복합 전고체 전극과 이온 확산 기반 흑연 전고체 전극의 용량 특성 비교.

ETRI가 제안한 구조는 공동연구진인 DGIST에서 슈퍼컴퓨터 기반 모델링으로 가상의 전기화학실험을 진행하며 이론적으로 실현 가능함을 확인하였다. ETRI 연구진은 이를 실험적으로 최종 구현해내는데 성공하며 본 기술을‘이온 확산 기반 전고체 전극’이라 명명하고 국제 학술지에 논문을 투고했다.

연구진의 기술을 적용하면 고체 전해질이 필요 없기에 같은 부피에 더 많은 활물질을 전극에 집어넣을 수 있다. 즉, 전극 내 활물질 함량이 98wt%에 달할 정도로 구성을 극대화할 수 있고 그 결과, 에너지밀도를 일반적인 흑연 복합 전극 대비 약 1.5배 높일 수 있다.

제조공정 측면에서도 차별화된 장점이 있다. 일반적으로 많이 쓰이는 황화물계(Sulfide) 고체전해질 소재는 높은 이온전도도와 우수한 성형성을 지니지만 높은 화학적 반응성으로 인해, 용매 및 바인더 선택이 까다로웠다. 이에 반해, 연구진이 만든 전극에는 고체 전해질이 없기에 용매 및 바인더의 선택이 자유로워 전고체 이차전지 성능 향상을 위한 다양한 연구를 시도할 수 있다.

본 연구의 총괄책임자인 ETRI 지능형센서연구실 이영기 박사는“기존 전고체 이차전지에서 사용되는 구조에서 벗어나 활물질만으로 이온을 확산할 수 있는 것을 최초로 밝혔다. 본 기술로 에너지밀도를 더욱 높일 이차전지를 개발, 핵심 원천 기술을 확보하며 상용화를 이루는데 힘쓰겠다”고 밝혔다.

ETRI는 이번 연구가 흑연 음극 활물질 대상으로 연구가 진행되었지만, 같은 개념을 기반으로 다양한 전극 소재와 양극 활물질을 대상으로 응용 연구를 진행할 예정이다. 또한, 전극 간 계면 이슈를 줄이고 전극의 부피도 얇게 만들어 효율을 높이는 기술을 고도화하는 연구도 병행할 계획이다.

본 연구는 ETRI 주관으로 DGIST 이용민 교수팀 공동 연구로 과학기술정보통신부 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업 지원으로 수행됐다. 논문 1저자는 ETRI 김주영 박사와 DGIST 박주남 박사이며다.