전지 수명과 안정성 저해 원인 '리튬 수지상 성장' 억제
대면적 제작 실현으로 활용성 제고
'Advanced Science' 1월호 표지논문 게재
한국전기연구원(KERI·원장 명성호)은 하윤철·김병곤·최홍준 전고체전지 연구팀이 '안정적인 황화물계 전고체전지용 음극 제조기술'을 개발, 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 1월호 표지논문에 게재했다고 17일 밝혔다.
전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 '전해질'을 기존 가연성 액체에서 화재나 폭발 위험성이 낮은 고체로 대체한 전지다.
전고체전지 음극 소재는 주로 '리튬금속(Li-metal)'을 사용하는데 충·방전을 거듭할수록 리튬 표면에 나뭇가지 모양의 '수지상(dendrite)성장'이 나타나 내부 단락을 일으키는 등 전지 수명과 안정성을 떨어트렸다. 이는 전고체전지 상용화를 위해 해결해야 할 기술적 난제 가운데 하나다.
KERI 연구팀은 리튬 친화성 물질인 '은(Ag)'을 이용해 이를 해결할 수 있는 방법을 찾았다.
리튬과 은을 결합한 합금 소재가 열역학적으로 안정된 '금속간화합물 상(phase)'을 형성한다는 것을 알아냈고, 물리적인 보호막 역할을 수행해 수지상 성장을 막을 수 있다는 것을 확인했다. 황화물계 고체전해질과 화학적 안정성이 향상된다는 사실도 밝혀냈다.
연구팀은 대면적 제작이 가능한 '롤프레싱(Roll-pressing)' 방식으로 리튬 포일과 은 포일을 물리적으로 결합했다. 다양한 전기화학 평가와 'X선 광전자 분광기 분석', 'X레이 단층촬영' 등 여러 검증을 통해 '은-리튬 합금 음극'을 적용한 전고체 셀이 140사이클 이상 충·방전 수명 특성을 나타낸다는 점을 확인했다. 현재 상용화된 리튬이온전지는 통상 300회 이상 사이클이 요구된다.
연구팀은 리튬 친화성 물질인 은의 양을 최적화하는 방법, 은을 대체할 수 있는 물질을 탐색해 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있는 연구로 이어갈 계획이다. 이를 대면적에 적용해 안정적으로 구동 가능한 시제품 셀도 개발한다는 목표다.
김병곤 연구원은 “음극은 전지 성능과 수명에 큰 영향을 미치기 때문에 많은 양의 리튬을 가역적으로 저장할 수 있도록 설계하는 것이 핵심”이라며 “이 기술은 리튬이 가진 높은 셀 전압의 장점은 살리고, 단점인 수지상 성장은 억제하며, 대면적으로 음극을 제조해 활용성을 크게 높인 획기적인 성과”라 말했다.
이번 연구성과는 저널인용지표(JCR) 상위 5.3%의 재료과학 분야 세계적 학술지 '어드밴스드 사이언스' 1월호 표지논문으로 게재됐다.
창원=임동식기자 dslim@etnews.com
