국내 연구진이 전고체 전지의 상용화를 가로막던 고질적인 이온 이동성 문제를 '나뭇가지' 형태의 나노 구조로 해결했다.
포스텍(POSTECH)은 김원배 화학공학과·배터리공학과 교수팀과 이상호 국립부경대 화학공학과 교수 공동연구팀이 전고체 전지의 효율을 극대화할 수 있는 새로운 전극 기술을 개발했다고 29일 밝혔다. 연구 성과는 국제 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)' 앞표지 논문으로 게재됐다.
'꿈의 배터리'로 불리는 전고체 전지는 액체 전해질을 고체로 대체해 화재 위험을 낮춘 차세대 에너지 저장장치다. 하지만 고체 전해질이 전극 구석구석까지 닿기 어려워 리튬 이온의 이동이 제한되고, 이로 인해 충전 속도가 느려지고 수명이 단축되는 기술적 난제가 존재해 왔다.
연구팀은 자연의 '나무 성장 방식'에서 해법을 찾았다. 화학기상증착법(CVD)을 활용해 틴옥사이드(SnO₂)를 가느다란 나노 와이어 형태로 뽑아낸 뒤, 이를 나뭇가지처럼 사방으로 뻗어 나가는 '3차원 분지형 구조'로 구현했다.
이 구조는 가지 사이의 미세한 틈새가 고체 전해질의 침투 경로가 되어, 전극 내부 깊숙한 곳까지 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있는 '이온 고속도로' 역할을 한다. 특히 별도의 바인더나 도전재 없이 소재 자체만으로 자립형 구조를 형성해 전극 밀도와 효율을 높였다.
성능 검증 결과, 새롭게 개발된 전극은 기존 슬러리(Slurry) 방식 전극 대비 약 7배 높은 용량을 기록했다. 고전류 밀도 환경에서도 빠른 충·방전 특성을 유지해 구조 설계만으로 배터리 성능을 획기적으로 개선했다는 평가다.
김원배 교수는 “나노와 마이크로를 아우르는 전극 구조 제어는 전고체 전지 설계의 핵심 요소”라며 “이번 연구가 전고체 전지 상용화를 가로막던 기술 장벽을 허무는 실마리가 될 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업·세종과학펠로우십, 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업의 지원을 받아 수행됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
