KETI, 전고체전지 보호층 기술 개발…전기차 화재 위험 낮춘다

배터리 에너지밀도 증가·안전성 확보…에너지화학 분야 국제학술지 게재

한국전자기술연구원(KETI·원장 신희동)은 고려대 유동주 교수팀, 성균관대 윤원섭 교수팀과 함께 전고체전지의 에너지 밀도와 안전성을 높이는 리튬금속 보호층 기술개발에 성공했다고 5일 밝혔다.

전고체전지는 기존 리튬이차전지와 달리 고체 형태의 전해질로 구성되기 때문에 폭발 위험이 없어 안전하면서도 에너지밀도가 높은 장점이 있어 현재 기술 상용화를 위한 범국가적 연구개발(R&D) 경쟁이 치열하다.

리튬금속 음극은 기존 흑연 음극보다 에너지밀도가 높은 최적 소재임에도 전해질과 리튬금속 사이에서 부반응이 발생하고 충전 시 음극 표면에 덴드라이트가 발생하기 때문에 전지 폭발 등 화재 가능성이나 전지 수명을 저하한다는 문제점을 안고 있었다.

리튬 금속 전고체전지 구성 모식도(왼쪽)와 전지 성능평가 결과.

KETI 차세대전지연구센터는 나노 입자 실리콘 분말을 활용해 높은 이온 전도성을 가진 리튬금속 보호층을 개발, 최종적으로 리튬금속 전고체전지의 출력 성능을 높였다.

기술개발을 주도한 이긍종 연구원과 최승호 박사(선임연구원)에 따르면 나노 사이즈 실리콘 분말로 구성된 보호층은 리튬 금속과 실리콘-리튬 합금을 형성해 음극 표면의 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있음을 확인했다.

또 이번 연구로 개발한 합금 보호층 기술을 제작 공정에 적용해 높은 출력 환경에서의 안전성을 확보, 파우치형 셀 검증을 통해 기술 상용 가능성을 증명했다.

연구 결과는 에너지화학 분야의 저명한 국제학술지인 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF=19.3) 최신호(8월 발간)에 게재됐다.

ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters) 최신호 커버.

유지상 KETI 차세대전지연구센터장(교신저자)은 “전고체전지의 에너지밀도를 높이기 위해서는 리튬금속 음극 적용이 필수적이나, 리튬 덴드라이트 현상은 전지 개발의 큰 걸림돌로 작용해왔다”며 “KETI 연구진이 개발한 리튬금속 보호층 기술은 대면적화가 가능해 전고체전지 성능을 향상하는 핵심 기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 연구 성과는 산업통상자원부·한국산업기술기획평가원의 지원을 받은 자동차산업기술개발사업과 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 STEAM 연구사업을 통해 개발됐다.