전고체전지 상용화 난제인 리튬 손실과 계면 부반응, 내부 단락 등 각종 문제를 해결할 수 있는 기술이 한국전기연구원 차세대전지연구센터 김병곤 박사팀에 의해 개발됐다.
최근 차량용 액체형 리튬이온전지가 화재사고, 용량 확대·생산단가 인하 등 성능개선에 한계를 나타냄에 따라 전고체전지 개발에 대한 관심이 높아지고 있다.
9일 한국전기연구원에 따르면 전고체전지는 양극과 음극 사이에 있는 화재위험이 큰 액체전해질 대신 불가연성의 고체전해질을 사용하고 전지냉각시스템을 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.
그러나 재료비 등 전지제조 공정상의 높은 비용과 안전성 확보 문제 등 상용화까지 해결해야 할 많은 과제를 꼽고 있다.
특히 고체 형태의 전해질과 양극, 음극 그리고 도전재와의 계면 불안정성로 인한 활성 리튬 손실, 내부단락 발생 등의 문제가 가장 크다.
전기연구원 연구팀은 ‘희생양극’과 ‘인듐음극’을 도입해 안정성과 수명 특성이 크게 향상된 황화물계 차세대 전고체전지 개발에 성공했다.
KERI 김병곤 박사는 희생양극에 대해 “추가적으로 금속성 리튬음극을 사용하지 않아도 되기 때문에 셀 제작 단계에서 공정과 비용을 최소화하면서 성능도 함께 향상시킬 수 있는 기술”이라고 밝혔다.
인듐음극에 대해서는 “인듐의 셀 전압이 낮아 추가적인 연구가 필요하긴 하지만 전고체전지의 수명을 좌우하는 음극 분야에서 전지의 장기 안정성의 기반을 마련했다는 측면에서 그 의미가 매우 크다”고 말했다.
계면 불안정성으로 인해 발생하는 리튬 손실을 보상하기 위해 도입된 희생양극은 충전 중에 질화리튬(Li3N)이 분해되면서 전지에 추가적인 리튬을 제공한다.
아울러 추가된 리튬은 인듐 음극과 반응해 부피를 더욱 팽창시켜 셀 내부 압력을 높여 입자간 접촉을 향상시키는 등 전지의 성능을 한층 업그레이드 했다.
연구팀은 개발 성과의 효과를 검증하기 위해 실시간 발생가스 측정과 셀 압력변화 측정, X-ray 단층촬영(tomography) 등의 분석기술을 활용했다.
이를 통해 셀 내부 압력과 음극 계면 안정성이 전지 성능에 긍정적인 영향을 미친다는 사실을 밝혀낼 뿐만 아니라 260사이클 이상의 안정적인 충·방전 수명 특성을 확보할 수 있다는 것을 확인했다.
현재 상용화 된 리튬이온전지가 통상 300~500회의 사이클을 가지고 있다는 점을 고려하면 이번 KERI의 기술은 전고체전지의 상용화를 앞당길 수 있는 큰 성과다.
한국전기연구원 연구결과는 저널인용지표(JCR) 상위 4.5%의 재료과학 분야 세계적 학술지인 ‘Advanced Functional Materials(IF=18.808)’에 표지논문(Front cover)에 실렸다.
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