한국전자통신연구원(이하 ETRI)은 국내 연구진이 지난해 새로운 전고체(All-Solid-State) 이차전지용 음극 구조를 개발한 데 이어 양극 구조까지 개발하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.
개발된 기술은 고체 전해질 없이 활물질로 이황화티타늄(TiS2)만을 사용해 양극을 구성하는 새로운 전극 구조로 안전하면서도 성능이 높은 전고체 이차전지를 구현하는 데 큰 도움이 될 전망이다.
이번 성과는 지난달 세계적인 학술지인 '에너지 스토리지 머티리얼즈'에 온라인으로 등재되며 우수성을 입증받았다.
전고체 전지는 전지 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대 전지로 리튬이온 전지에 필요한 전해액과 분리막을 없애고 비는 공간에 에너지밀도가 더 높은 물질을 집어넣을 수 있다.
액체로 만들어진 기존 배터리는 양극과 음극이 만날 경우 화재가 발생할 위험이 있으나 전고체 전지는 리튬이온이 이동하는 전해질을 고체로 만들기에 항상 고정돼 있어 구멍이 뚫려도 폭발하지 않고 정상 작동한다. 액체 전해질보다 내열성과 내구성이 뛰어나기 때문에 폭발이나 화재 가능성이 낮고 크기도 줄일 수 있다.
이로 인해 전고체 전지는 안전성뿐만 아니라 용량과 두께 측면에서 '플렉서블(휘는·flexible) 전지'를 구현하는 최적의 조건을 갖춘 것으로 평가 받고 있다.
또한 리튬이온전지에서는 구현이 불가한 바이폴라형 이차전지를 만들 수 있어 에너지 밀도 향상에도 유리한 것으로 알려져 있다.
전고체 이차전지의 양극은 주로 전자 전도를 담당하는 도전재, 이온 전도를 담당하는 고체 전해질, 에너지 저장을 담당하는 활물질, 그리고 이들을 물리적, 화학적으로 잡아주는 바인더로 구성되는데 전극 안에서 리튬이온이 원활하게 이동하도록 만들기 위해서는 고체 전해질이 꼭 필요했다.
하지만 고체 전해질 구성비가 늘어나면 상대적으로 활물질이 적게 들어가 에너지 밀도를 늘리는 데 한계가 있었고 황화물계 고체 전해질이 포함된 복합 전극의 경우 높은 화학적 반응성으로 인해, 용매 및 바인더 선택이 까다롭고 수분을 극도로 제어해야 하는 등 제조공정이 까다롭다는 단점이 있었다.
이에 ETRI는 고체 전해질 없이 이황화티타늄(TiS2)에 압력을 줘서 입자 간 빈틈이 없게 만든 활물질과 바인더로만 양극을 구성하는 전지 구조를 제안했고 이번에 연구진은 대구경북과학기술원(이하 DGIST) 공동연구팀의 도움을 받아 리튬이온이 직접 이황화티타늄 입자들을 통해 원활하게 확산하는 것을 확인했다.
고체 전해질이 없는 양극 구조로도 전고체 이차전지 성능을 구현할 수 있음을 보인 셈이고 고체 전해질을 사용하지 않은 만큼 활물질 함량을 늘릴 수 있어 같은 용량에 고체 전해질을 사용했을 때보다 에너지밀도를 1.3배 이상 높일 수 있는 점도 확인했다.
또한 용매와 바인더 선택이 자유롭고 기존 리튬이온전지의 극판 제조공정을 그대로 활용할 수 있어 전고체 이차전지 성능 및 가격경쟁력 향상에 크게 이바지할 수 있다.
연구진은 해당 활물질을 나노화하면 전기화학적 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 이론적으로 예측하고 이를 실험적으로 검증하면서 본 성과를 낼 수 있었다고 밝혔다.
본 과제 총괄 책임자인 ETRI 이영기 지능형센서연구실 책임연구원은 “음극과 양극 모두에서 활물질만으로 이온을 확산할 수 있다는 것을 최초로 확인했다. 본 기술을 근간으로 에너지밀도를 더욱 향상할 핵심 원천 기술을 확보하고 상용화에 이바지하겠다"고 말했다 .
ETRI는 음극과 양극 각각의 에너지 밀도를 대폭 높일 가능성을 확인한 본 성과를 기반으로 전고체 전지 관련 후속 연구를 진행할 예정이다. 또한, 전지 구조를 종합하면서 출력 특성을 개선할 수 있는 연구도 병행할 계획이다.
한편 본 연구는 ETRI가 주관하며 DGIST 이용민 교수팀과 공동으로 연구가 이뤄졌다.
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