전고체전지의 고성능, 고에너지 밀도를 구현할 수 있는 차세대 양극 기술이 개발돼 향후 전고체 전지 상용화를 앞당기는데 도움이 될 것으로 기대된다.

한국전자기술연구원(KETI, 원장 신희동)은 전고체전지의 에너지 및 출력 특성을 개선하는 건식 전극용 첨가제 기술을 개발했으며, 연구 결과를 국제 저명 학술지에 게재했다고 17일 밝혔다.

전고체전지는 기존 리튬이온전지의 양극과 음극 사이를 채우고 있는 액체 전해질을 고체로 바꾼 전지로서, 폭발 위험이 없어 안전하면서도 기존 전지에 비해 에너지 밀도가 높아 국제적으로 기술 상용화를 위한 원천 기술 확보의 경쟁이 치열하다.

특히 전고체전지에 적용가능한 건식 전극의 경우 습식 제조 시 활용되는 용매를 사용하지 않아 양극과 음극 활물질층을 두껍게 쌓아 올린 ‘후막 전극’ 구현이 가능하지만, 높은 압력으로 인해 전극 내의 기공이 발생하여 에너지 밀도가 낮아지는 문제점이 발생했다.

KETI 차세대전지연구센터(센터장 유지상)는 건식 전극의 제조 공정에서 입도(입자의 크기)가 제어된 리튬염(LiPO2F2) 소재의 첨가제를 혼합함으로써 황화물계 전고체전지용 양극을 더욱 얇게 구현했으며, 이를 통해 동일 부피당 더욱 높아진 용량 및 출력 특성을 확보했다.

기술 개발을 주도한 김현승 박사(선임연구원)에 따르면 연구진은 고체전해질보다 미립인 전극 첨가제를 설계해 투입함으로써 전극의 기공도를 감소시켰고, 해당 입자가 양극 표면에서 보호 피막을 형성하는 특성까지 복합적으로 형성해, 전고체전지의 고에너지 밀도 성능 자체를 총체적으로 개선하는 데 성공했다.

뿐만 아니라 리튬염 첨가제 도입을 통하여 전극의 화학-기계적 안정성을 개선했으며, 이를 통해 양극의 균열(Crack) 발생 및 표면 부반응을 감소시키기도 했다.

이번 연구 결과는 에너지화학 분야의 세계적인 권위지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF=29.698) 최신호(4/12 발간)에 게재되는 성과를 이뤘다.

논문의 교신저자인 조우석 수석연구원(박사)는 “전고체전지의 급속 충전 성능을 확보하기 위한 대부분의 연구가 높은 이온전도도를 가지는 고체전해질 소재에 집중되어 있지만, 양극 및 음극재 구현 기술 역시 중요성이 크다”며 “KETI는 단입자 형태의 NCM 양극재 기술, 석출형 음극재 공정기술 등 전고체전지 분야 차세대 소재 기술을 다수 보유하고 있다”고 밝혔다.

KETI 차세대전지연구센터 유지상 센터장은 “KETI는 일련의 양극재 기술들을 융합해 리튬이차전지 2배 수준의 전극 용량인 양극 후막 기술을 적용, 4분 충전에 85% 이상 충전이 가능한 양극 극판 기술을 확보했다”며 “센터는 해외 우수 기술을 넘어서는 핵심 원천 기술을 지속 확보하여 국내 전고체전지 상용화에 주력하겠다”고 말했다.

한편 본 연구 성과는 산업통상자원부, 한국산업기술기획평가원의 지원을 받은 자동차산업기술개발 사업을 통해 개발됐다.