한국전자기술연구원(KETI, 원장 신희동)이 전고체 전지의 에너지밀도를 증가하면서도 안전성까지 확보한 기술을 개발해 향후 전기차 화재 위험 감소에 크게 기여할 것으로 기대된다.

KETI는 고려대 유동주 교수팀, 성균관대 윤원섭 교수팀과 함께 전고체전지의 에너지 밀도 및 안정성을 증가시키는 리튬금속 보호층 기술 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.

전고체전지는 기존의 리튬이차전지와 달리 고체 형태의 전해질로 구성되기 때문에 폭발 위험이 없어 안전하면서도 에너지밀도가 높다는 장점이 있어 현재 기술 상용화를 위한 범국가적 R&D 경쟁이 치열하다.

그중 리튬금속 음극은 기존 흑연 음극에 비해 에너지 밀도가 높은 최적의 소재임에도 불구하고 전해질과 리튬금속 사이에서 부반응이 발생하며, 충전 시 음극 표면에 덴드라이트(Dendrite)가 발생하기 때문에 전지 폭발 등 화재 가능성이나 전지 수명을 저하시킨다는 문제점을 안고 있었다.

KETI 차세대전지연구센터(센터장 유지상)는 나노 입자의 실리콘 분말을 활용하여 높은 이온 전도성을 가진 리튬금속 보호층을 개발함으로써, 최종적으로 리튬금속 전고체전지의 출력 성능을 향상시켰다.

기술 개발을 주도한 이긍종 연구원과 최승호 박사(선임연구원)에 따르면 나노 사이즈의 실리콘 분말로 구성된 보호층은 리튬 금속과 실리콘-리튬 합금을 형성하여 음극 표면의 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있음을 확인했다.

또한 이번 연구를 통해 개발된 합금 보호층 기술을 제작 공정에 적용하여 높은 출력 환경에서의 안전성을 확보했으며, 파우치형 셀 검증을 통해 기술의 상용 가능성을 증명할 수 있었다.

연구 결과는 에너지화학 분야의 저명한 국제 학술지인 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF=19.3) 최신호*(8월 발간)에 게재되는 성과를 이뤘다.

KETI 차세대전지연구센터 유지상 센터장(교신저자)은 “전고체전지의 에너지밀도를 높이기 위해서는 리튬금속 음극의 적용이 필수적이나, 리튬 덴드라이트 현상은 전지 개발의 큰 걸림돌로 작용해왔다”며 “KETI 연구진이 개발한 리튬금속 보호층 기술은 향후 대면적화가 가능하여, 전고체전지 성능을 향상시키는 핵심 기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편 이번 연구 성과는 산업통상자원부, 한국산업기술기획평가원의 지원을 받은 자동차산업기술개발사업과 과학기술정보통신부 및 한국연구재단이 추진하는 STEAM 연구사업을 통해 개발됐다.