차세대 전기차 배터리의 ‘게임 체인저’로 불리는 무음극 전고체전지가 현실화에 한 발 더 다가섰다.
한국전자기술연구원(KETI)은 서울대, 중앙대 연구진과 함께 고체전해질 내부에서 은(Ag) 나노입자가 자가 형성되는 메커니즘을 규명하고, 이를 활용해 전지 성능과 수명을 동시에 높이는 원천소재 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 관련 성과는 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션스 7월호에 게재됐다.
이번 기술은 전고체전지의 고질적인 문제로 여겨졌던 충전 중 리튬이 일정하게 쌓이지 않아 발생하는 ‘덴드라이트’와 단락 현상을 막는 데 성공했다는 점에서 의미가 크다. 덴드라이트는 전지 내부에서 리튬이 뾰족한 가시 형태로 자라며 전지 수명과 안전성을 크게 저하시키는 주범으로 꼽힌다.
KETI 연구진은 은(Ag)이 섞인 고체전해질을 설계해, 전지 충전 초기 고체전해질 내부에서 은 이온이 자연스럽게 금속 나노입자로 바뀌어 리튬이 고르게 도금될 수 있도록 유도하는 데 성공했다. 이 구조는 마치 리튬이 자라날 길을 미리 닦아주는 역할을 하면서 덴드라이트 생성을 억제하고 전지 수명도 끌어올린다.
특히 이 기술은 별도 보호막이나 추가 공정 없이도 기존 고체전해질 제조 방식에 그대로 적용 가능해 상용화 가능성도 높다는 설명이다. 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이 같은 자가 형성 메커니즘을 시각적으로 확인했다. 이를 바탕으로 고용량(7.0mAh/cm²)에서도 안정적인 충·방전 성능을 발휘하는 것을 파악했다. 파우치형 전지 실험에서는 에너지 밀도 1,000Wh/L 이상을 달성해, 전기차 배터리로서의 가능성도 입증했다는 설명이다.
무음극 전고체전지는 기존 배터리 구조에서 음극 소재를 없앤 새로운 형태로, 이론상 에너지 밀도를 30% 이상 높일 수 있다. 하지만 고체전해질이 리튬과 잘 반응하지 않아 리튬이 고르지 않게 자라는 것이 상용화의 가장 큰 걸림돌로 여겨졌는데 이를 해결할 수 있게 될 것으로 보인다.
최승호 KETI 선임연구원은 “은 입자를 활용한 이번 방식은 고체전해질의 구조 자체를 리튬 친화적으로 바꿔준다는 데 의미가 있다”며 “기술을 그대로 양산 공정에 적용할 수 있어, 전고체전지 시장에서 새로운 돌파구가 될 것”이라고 설명했다.
이번 기술은 산업통상자원부와 국가과학기술연구회 등의 연구지원 아래 추진된 ‘알키미스트 프로젝트’의 일환으로 개발됐다. KETI는 앞으로도 고에너지 밀도를 실현할 수 있는 차세대 전지소재 개발에 속도를 낼 방침이다.
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