국내 연구진이 차세대 전지로 주목받는 전고체전지의 성능 향상에 기여할 기술을 개발했다. 한국전기연구원(KERI, 이하 전기연)은 전고체전지(황화물계)용 양극활물질(이차전지 핵심 소재·전기차 등에 쓰이는 전지에 사용)과 고체전해질을 최적으로 혼합할 수 있는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
이 기술 개발에는 전기연 차세대전지연구센터 하윤철 박사, 경희대 응용화학과 김병곤 교수팀, 중앙대 에너지시스템공학부 문장혁 교수팀, 부산대 재료공학부 이승기 교수팀이 참여했다.
전고체전지는 화재나 폭발 위험이 극히 낮아 차세대 전지로 불린다. 그러나 고체 특성상 기존 액체전해질 기반의 전지보다 고도의 기술력이 요구돼 제조가 어렵다.
특히 전극판 제조과정에서의 내부 양극활물질, 고체전해질, 도전재(활물질 내부에서 전자 이동을 촉진하는 물질) 및 바인더(활물질과 도전재가 금속판(집전체)에 잘 붙을 수 있게 도와주는 물질)의 효과적인 혼합과 분산은 난제로 알려져 있다.
전기연과 대학 연구팀은 전고체전지 제조과정에서 양극활물질에 고체전해질을 부분 코팅하는 방법을 활용했다. 고체전해질은 산소와 수분에 민감해 잘못 활용되면 열화(deterioration·성능 등이 떨어지는 것)가 발생한다.
그러나 연구팀은 화학 반응을 일으키지 않는 일명 불활성(비활성) 기체를 사용할 수 있는 특수 장비 '블레이드 밀'(blade mill)을 개발했다.
이에 다양한 형태의 고체전해질 코팅 구조를 연구하고, 양극활물질과의 최적 혼합 비율 등을 실험·검증할 수 있었다. 연구팀은 이후 다양한 시뮬레이션을 거쳐 전고체전지의 활물질 이용률(이론 용량 대비 실제 구동 용량)과 율특성(저전류 충전·방전 대비 고속 충전·방전)을 향상할 수 있는 다수의 데이터를 확보했다.
그리고 이 결과를 시제품(파우치 셀)까지 적용해 전고체전지의 성능 향상을 확인했다.
이런 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 '에너지 스토리지 머터리얼스'(Energy Storage Materials)에 논문으로 게재됐다. 하윤철 박사는 "전고체전지 보급 확대를 위해서는 이온과 전자의 흐름을 원활히 돕는 전극판을 효과적으로 만드는 구조 설계와 제조공정 기술도 중요하다"며 "최적의 비율로 고체전해질이 부분 코팅된 양극활물질 복합소재를 통해 전극판의 기능성을 높이고 전고체전지 성능 향상에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.