고체 전해질 없이 흑연 활물질로
리튬 이온 전극 구조 설계 성공
기존 대비 에너지밀도 1.5배 높여


15일, 한국전자통신연구원(ETRI)과 대구경북과학기술원(DGIST) 공동연구팀은 활물질 간 원활한 리튬이온 확산 특성을 규명해 새로운 형태의 전고체 이차전지용 전극 구조를 설계했다고 발표혔다.
전고체 이차전지는 배터리 전극에서 이온을 전달하는 전해질로 고체를 활용하는 차세대 전지다. 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 일차전지와 달리, 이차전지는 스마트폰 배터리처럼 방전되어도 충전해 반복 사용이 가능하다. 또 고체 전해질은 자칫 화재가 날 수 있는 액체 전해질보다 안전하며 바이폴라형 이차전지를 구현하여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

일반적으로 사용되는 전고체 이차전지의 전극 구조는 이온 전도를 담당하는 고체전해질, 전자 전도를 담당하는 도전재, 에너지 저장을 담당하는 활물질, 그리고 이들을 물리적, 화학적으로 잡아주는 바인더로 구성된다.

ETRI 연구진은 실험을 통해 흑연 활물질 입자 간에도 이온이 전달되는 것을 확인하며 고체전해질과 도전재를 빼고 활물질과 바인더로 구성된 새로운 형태의 전고체 이차전지용 전극 구조를 제안했다. 이 구조는 공동연구진인 DGIST에서 슈퍼컴퓨터 기반 모델링으로 가상의 전기화학실험을 진행하며 이론적으로 실현 가능함을 확인해 실험으로 최종 구현에 성공했다.
고체 전해질이 필요 없기에 같은 부피에 더 많은 활물질을 전극에 집어넣을 수 있어 전극 내 활물질 함량이 98wt%에 달할 정도로 구성을 극대화 시켰다. 그 결과, 에너지밀도를 일반적인 흑연 복합 전극 대비 약 1.5배 높였다.

제조공정에서도 변화를 꾀했다. 황화물계(Sulfide) 고체전해질 소재는 높은 이온전도도와 우수한 성형성을 지니지만 높은 화학적 반응성으로 인해, 용매 및 바인더 선택이 까다로웠다. 이에 반해, 연구진은 고체 전해질이 없기에 용매 및 바인더의 선택이 자유로워 전고체 이차전지 성능 향상을 위한 다양한 연구를 시도해 전극을 만들었다.

본 연구의 총괄책임자인 ETRI 지능형센서연구실 이영기 박사는 “본 기술로 에너지밀도를 더욱 높일 이차전지를 개발, 핵심 원천 기술을 확보하며 상용화를 이루는데 힘쓰겠다”고 말했다.

ETRI는 이번 연구에서 흑연 음극 활물질 대상으로 진행했지만, 같은 개념을 기반으로 다양한 전극 소재와 양극 활물질을 대상으로 응용 연구를 진행할 예정이다. 또한, 전극 간 계면 이슈를 줄이고 전극의 부피도 얇게 만들어 효율성을 높여 기술 고도화 연구도 병행할 계획이다.