KPI뉴스 - 포스텍 연구팀, 안정적 작동하는 '꿈의 배터리' 전고체 배터리 플랫폼 구현

포스텍 연구팀이 기존보다 수십 배 두꺼운 전극을 적용하면서도 안정적으로 작동하는 전고체 배터리 플랫폼을 구현했다.

▲ 포스텍 신소재공학과·배터리공학과 강병우 교수(왼쪽부터), 포스텍 신소재공학과 우승준 박사(현 LG에너지솔루션), 포스텍 신소재공학과 통합과정 박준형 씨. [포스텍 제공]

포스텍은 신소재공학과·배터리공학과 강병우 교수, 신소재공학과 우승준 박사(현 LG에너지솔루션), 신소재공학과 통합과정 박준형 씨 연구팀이 기존보다 수십 배 두꺼운 양극을 사용하면서도 안정적으로 작동하는 전고체 배터리 플랫폼 구현에 성공했다고 9일 밝혔다.

이번 연구 성과는 영국왕립화학협회 에너지 분야 국제 학술지인 'Journal of Materials Chemistry A'에 게재됐다.

전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체를 사용하는 차세대 배터리로, 불이 붙을 위험이 낮고 에너지를 더 많이 저장할 수 있어 '꿈의 배터리'로 불린다. 그러나 고체 안에서 리튬 이온이 느리게 움직이는 탓에 전극을 두껍게 만들수록 내부 저항이 커지고 성능이 급격히 떨어지는 약점이 있었다.

포스텍 연구팀은 소재 자체를 뜯어고치는 대신, 리튬 이온이 지나가는 '길'을 바꾸는 전략을 선택했다. 기존 리시콘형 산화물 고체 전해질(LSPO) 소재에서 규소와 인의 일부를 게르마늄으로 바꿨다.

이온이 이동할 수 있는 통로가 훨씬 넓어지고 통로도 서로 촘촘하게 연결됐다. 그 결과, 이온 전도도가 기존 대비 약 5배 향상됐다.

더 놀라운 점은 이 소재가 양·음극 소재와의 접촉성도 매우 좋다는 것이다. 양극 소재와는 단순한 가열만으로 단단하게 결합하는 공소결이 가능하며 음극으로는 리튬 금속을 사용하여 별도 외부 압력 없이 안정적인 배터리를 만들 수 있게 된 것이다.

그 덕분에 약 140마이크로미터 두께의 '초두꺼운 양극'을 적용한 전고체 배터리를 구현하는 데 성공했다. 이는 일반적으로 보고되는 전극보다 수십 배 두꺼운 수준으로 그동안 '두꺼우면 작동하지 않는다'라는 전고체 배터리의 한계를 정면으로 넘어선 결과다.

▲ 리튬 이온 전도성이 개선된 리시콘형 고체전해질을 사용한 초고에너지 밀도 산화물계 전고체전지 모식도. [포스텍 제공]

이렇게 제작된 배터리는 상온에서도 안정적으로 작동했으며 부피 기준 에너지 밀도는 841Wh/L(와트시퍼리터)에 달했다. 더 작고 가벼운 배터리로 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 의미다.

이번 연구는 복잡한 구조보다 중요한 것은 연결성이라는 사실을 보여주며 차세대 에너지 저장 기술의 방향을 한 단계 앞당겼다는 데 큰 의미가 있다.

강병우 교수는 "산화물계 전고체 배터리에서 두꺼운 전극을 도입해 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있음을 증명한 사례"라며 "안전성과 에너지 밀도를 동시에 만족하는 차세대 리튬 금속 전고체 배터리 상용화에 중요한 돌파구가 될 것"이라고 밝혔다.

KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr

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