KETI, 전고체전지 차세대 양극 기술 개발 성공

건식 전극용 첨가제 설계…전지 밀도 성능 높여

한국전자기술연구원(KETI·원장 신희동)은 전고체전지의 에너지·출력 특성을 개선하는 건식 전극용 첨가제 기술을 개발하고 연구 결과를 국제 저명 학술지에 게재했다고 17일 밝혔다.

전고체전지는 기존 리튬이온전지의 양극과 음극 사이를 채우고 있는 액체 전해질을 고체로 바꾼 전지다. 폭발 위험이 없어 안전하면서도 기존 전지보다 에너지 밀도가 높아 국제적으로 기술 상용화를 위한 원천 기술 확보의 경쟁이 치열하다.

전고체전지에 적용할 수 있는 건식 전극은 습식 제조할 때 쓰는 용매를 사용하지 않아 양극과 음극 활물질층을 두껍게 쌓아 올린 ‘후막 전극’ 구현이 가능하지만, 높은 압력으로 인해 전극 내 기공이 발생해 에너지 밀도가 낮아지는 문제점을 해결해야 하는 게 관건이었다.

전극 첨가제 개념도

KETI 차세대전지연구센터(센터장 유지상)는 건식 전극의 제조 공정에서 입도(입자의 크기)가 제어된 리튬염(LiPO2F2) 소재 첨가제를 혼합해 황화물계 전고체전지용 양극을 얇게 구현, 동일 부피당 높아진 용량과 출력 특성을 확보했다.

기술 개발을 주도한 김현승 박사에 따르면 연구진은 고체전해질보다 미립인 전극 첨가제를 설계해 투입함으로써 전극 기공도를 줄였고 해당 입자가 양극 표면에서 보호 피막을 형성하는 특성까지 복합적으로 형성해 전고체전지의 고에너지 밀도 성능 자체를 총체적으로 개선하는 데 성공했다.

또 리튬염 첨가제를 도입해 전극의 화학-기계적 안정성을 개선, 양극 균열 발생과 표면 부반응을 줄였다.

이번 연구 결과는 에너지화학 분야의 세계적인 권위지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF=29.698)’ 최신호(4/12 발간)에 게재됐다.

전극 첨가제의 출력과 수명특성 개선 효과

논문의 교신저자인 조우석 수석연구원(박사)은 “전고체전지의 급속 충전 성능을 확보하기 위한 대부분의 연구가 높은 이온 전도도를 가지는 고체전해질 소재에 집중돼 있지만, 양극과 음극재 구현 기술 역시 중요성이 크다”며 “KETI는 단입자 형태의 NCM 양극재 기술, 석출형 음극재 공정기술 등 전고체전지 분야 차세대 소재 기술을 다수 보유하고 있다”고 밝혔다.

유지상 KETI 차세대전지연구센터장은 “KETI는 일련의 양극재 기술을 융합해 리튬이차전지 2배 수준의 전극 용량인 양극 후막 기술을 적용, 4분 충전에 85% 이상 충전이 가능한 양극 극판 기술을 확보했다”며 “센터는 해외 우수 기술을 넘어서는 핵심 원천 기술을 지속 확보해 국내 전고체전지 상용화에 주력하겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 산업통상자원부·한국산업기술기획평가원의 지원을 받은 자동차산업기술개발 사업으로 이뤄졌다.