남기훈 박사팀 '나노 주석 중간층 제어기술' 개발…국제 학술지 게재
(창원=연합뉴스) 김선경 기자 = 한국전기연구원(KERI)은 전지소재·공정연구센터 남기훈 박사팀이 전고체전지 상용화를 가로막던 리튬 금속 음극과 고체전해질 사이의 '계면 불안정' 문제를 해결했다고 27일 밝혔다.
전고체전지는 화재 위험이 없어 '꿈의 전지'로 불린다.
그러나 고성능화를 위해 기존 흑연 대신 리튬 금속을 음극으로 사용하면 고체전해질과의 물리적 접촉이 완벽하지 않아 이온 이동이 방해를 받는 계면 저항 문제가 발생한다.
또 충·방전 중 리튬이 나뭇가지 모양으로 비정상적으로 자라나는 '수지상 성장'(덴트라이트)이 형성돼 전지 수명을 단축시키는 한계가 있었다.
그간 업계에서는 고체 간 접촉을 유지하기 위해 실험실 수준에서 수십 메가파스칼(MPa)에 이르는 고압의 물리적 힘을 가하거나 고가의 복잡한 코팅기술을 사용해왔다.
하지만 이같은 고압력 구동 조건을 실제 전기차 등에 적용하면 전지보다 가압 시스템이 더 무거워지는 탓에 제작 비용의 급격한 증대, 차량 내 공간효율 저하로 이어져 전고체전지 상용화 걸림돌로 작용해왔다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 리튬을 잘 끌어당겨 저장하는 '나노 주석 분말'(nano Sn)을 활용해 얇은 중간층(Interlayer)을 만들었다.
또 이 중간층을 판박이 스티커처럼 찍어내는 '전사'(Transfer Printing) 공정을 통해 리튬 금속 음극 표면에 정밀하게 밀착시켰다.
중간층은 리튬 금속에 가해지는 물리적 손상을 없애주고(계면 저항 해소), 이온이 빠르게 이동할 수 있는 고속도로 역할을 해 전지 저항을 크게 낮춰준다.
연구팀은 이같은 나노 주석 중간층 제어기술을 대면적 파우치 셀에 적용해 1㎠당 약 20㎏의 무게만 실리는 2MPa의 낮은 압력 조건에서도 무려 500사이클 동안 81% 이상의 우수한 용량 유지율을 달성했다.
더불어 351Wh/㎏의 높은 에너지 밀도를 기록하며 기존 상용 리튬이온전지 수준(150∼250Wh/㎏)을 넘어서는 성능을 증명했다.
이번 연구 성과는 최근 에너지·재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'(Advanced Energy Materials, IF=26.0)에 전면 표지(Front Cover) 논문으로 선정됐다.
남기훈 박사는 "이 기술이 전기차나 휴머노이드, 에너지저장장치(ESS) 등 고성능 전지가 필요한 미래 산업의 핵심 동력이 될 수 있도록 실제 상용 제조공정에 적합하게 기술을 더 고도화할 계획"이라고 말했다.
ksk@yna.co.kr
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