새로운 형태 이차전지용 전극 구조 개발

국내 연구진이 새로운 형태의 전(全)고체(All-Solid-State) 이차전지용 전극 구조를 개발했다. 기존보다 에너지 밀도를 대폭 높일 수 있어 고성능 전고체 이차전지를 구현하는데 큰 도움이 될 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)과 대구경북과학기술원(DGIST) 공동 연구팀은 활물질 간 원활한 리튬이온 확산 특성을 규명, 새로운 형태의 전고체 이차전지용 전극 구조를 설계했다고 15일 밝혔다.

이번 성과는 미국화학회(ACS) 에너지분야 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스' 에 지난달 온라인 등재됐다. 이차전지는 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 일차전지와 달리 스마트폰 배터리처럼 방전돼도 충전해 반복 사용이 가능하다. 최근 전자기기의 급격한 발전에 따라 로봇, 전기차, 에너지 저장장치(ESS), 드론 등에 이차전지 기술 중요성이 커지는 상황이다.

전(全)고체 이차전지는 배터리 전극에서 이온을 전달하는 전해질로 고체를 활용하는 차세대 전지다. 고체 전해질은 자칫 화재가 날 수 있는 액체 전해질보다 안전하다. 바이폴라형 이차전지를 구현, 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다는 장점도 있다.

일반적으로 사용하는 전고체 이차전지의 전극 구조는 이온 전도를 담당하는 고체전해질, 전자 전도를 담당하는 도전재, 에너지 저장을 담당하는 활물질, 그리고 이들을 물리적, 화학적으로 잡아주는 바인더로 구성된다. ETRI 연구진은 실험을 통해 흑연 활물질 입자 간에도 이온이 전달되는 것을 확인하며 활물질과 바인더로만 구성된 새로운 형태의 전고체 이차전지용 전극 구조를 발견했다. 전극 내 고체 전해질 없이도 전고체 이차전지의 성능이 여전히 구현 될 수 있다는 가능성을 제시한 것이다.

ETRI 연구진이 개발한 이온 확산 기반 전고체 전극 구조를 전자현미경을 통해 확인하고 있다.

새로운 전고체 이차전지 전극 구조 개발에 참여한 ETRI 연구진. 왼쪽부터 오지민 선임연구원, 김주미 연구원, 이명주 연구원, 권도윤 연구원, 강석훈 연구원, 김주영 선임연구원, 신동옥 선임연구원, 이영기 책임연구원.

ETRI가 제안한 구조는 공동연구진인 DGIST에서 슈퍼컴퓨터 기반 모델링으로 가상의 전기화학실험을 진행하며 이론적으로 실현 가능함을 확인했다. ETRI 연구진은 이를 실험적으로 최종 구현해내는데 성공, 이 기술을 '이온 확산 기반 전고체 전극'이라 명명, 국제 학술지에 논문을 투고했다.

연구진의 기술을 적용하면 고체 전해질이 필요 없어 같은 부피에 더 많은 활물질을 전극에 집어넣을 수 있다고 ETRI는 설명했다. 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 있다는 것이다.

제조공정 측면에서도 차별화된 장점이 있다고 덧붙였다. 일반적으로 많이 쓰이는 황화물계(Sulfide) 고체전해질 소재는 높은 이온전도도와 우수한 성형성을 지니지만 높은 화학적 반응성으로 용매 및 바인더 선택이 까다로웠다. 연구진이 만든 전극은 고체 전해질이 없어 용매 및 바인더 선택이 자유로워 전고체 이차전지 성능 향상을 위한 다양한 연구를 시도할 수 있다.

연구 총괄책임자인 ETRI 지능형센서연구실 이영기 박사는 "전고체 이차전지를 개발하는 기존 구조에서 벗어나 활물질만으로 이온을 확산할 수 있는 것을 최초로 밝혔다"면서 "이 기술로 에너지밀도를 더욱 높일 이차전지를 개발, 핵심 원천 기술을 확보하며 상용화를 이루는데 힘쓰겠다”고 밝혔다.