나뭇가지형 나노 구조로 전고체 전지 성능·수명 동시 개선
포스텍·국립부경대 연구팀이 전고체 전지의 성능 한계를 극복하기 위한 3차원 분지형 나노 전극 구조를 개발했다.
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| ▲ 포스텍 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수(왼쪽)와 국립부경대 화학공학과 이상호 교수. [포스텍 제공] |
포스텍은 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 김민호 박사 연구팀이 부경대 화학공학과 이상호 교수와 공동 연구를 통해 전고체 전지 핵심 문제를 해결할 새로운 전극 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
연구 성과는 우수성을 인정받아 나노·재료·화학 분야 국제 학술지 '나노 레터스' 표지 논문으로 게재됐다.
스마트폰 폭발과 전기차 화재 등을 없애기 위해 등장한 기술이 '전고체 전지'이지만 그동안 상용화를 막는 기술적 한계가 있었다.
그러나 포스텍과 부경대 연구팀이 나뭇가지 모양의 아주 작은 구조 하나로 이를 해결했다.
'전고체 전지'는 배터리 내부 액체 전해질을 고체로 바꾼 배터리로 현재 전기차 업계에서 가장 주목받는 차세대 기술이다.
전해질이 액체인 기존 리튬이온 전지와 달리 전고체 전지는 고체 전해질을 사용하여 화재 위험이 낮고 성능이 향상된다.
전해질이 고체(세라믹·황화물·폴리머 등)로 바뀌어 분리막 누액·폭발 위험이 줄어 안전성이 개선될 수 있는 장점이 있는 반면 전극 간 계면 접촉이 불연속이 되기 쉬워 계면저항이 커질 수 있고 이는 성능 저하로 이어질 수 있다.
특히 황화물계는 이온전도도가 높아 충방전 속도 개선에 유리하나 수분 민감성 등 취급·제조 난이도가 큰 단점으로 작용된다.
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| ▲ 전고체 전지 고체상 계면 안정성을 높이는 나노-마이크로 멀티스케일 전극 구조 모식도. [포스텍 제공] |
이를 해결하기 위해 연구팀은 화학기상증착법(CVD)을 이용해 전류를 전달하는 금속 기판 위에, 틴옥사이드(SnO₂)를 머리카락 굵기의 수백 분의 1 수준으로 가늘게 뽑아낸 선 형태의 나노 구조(나노 와이어)로 형성했다.
이어 추가 공정을 통해 이 나노 와이어들이 나뭇가지처럼 사방으로 뻗어나가도록 유도해 3차원 분지형 구조를 구현했다. 이 구조는 입자를 붙이는 접착제인 바인더나 도전재 같은 첨가물 없이 오직 틴옥사이드만으로 구성된 자립형 구조라는 특징을 갖고 있다.
특히, 가지들이 자라며 서로 밀어내는 과정에서 자연스럽게 형성된 미세한 틈새 공간은 고체 전해질이 전극 내부 깊숙이 침투할 수 있는 통로가 된다. 그 결과, 마치 복잡한 골목길을 누비듯 리튬 이온이 전극 안팎을 자유롭게 이동할 수 있게 됐다.
연구팀은 포항가속기연구소의 X-ray 분석을 통해 고체 전해질이 전극의 내부까지 균일하게 침투하는 모습을 직접 확인했다.
이러한 구조적 설계 덕분에 분지형 전극은 기존의 슬러리 방식으로 제조된 전극에 비해 높은 전류 밀도에서 대략 7배 높은 용량을 보여주며 빠른 충·방전 특성을 보였다.
소재를 바꾸지 않고 구조만으로 성능을 개선했다는 점에서 의미가 크다. 이번 연구는 그동안 전고체 전지 상용화를 가로막던 근본적인 기술 장벽을 허무는 실마리가 될 것으로 기대를 모으고 있다.
이에 앞서 김원배 교수 연구팀은 지난해 불소의 강한 전기적 특성을 이용해 표면 극성을 높여서 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있는 고용량과 안정성을 갖춘 혁신적인 이차전지용 음극 신소재를 개발한 바 있다.
김원배 교수는 "나노와 마이크로를 아우르는 전극 구조 제어는 전고체 전지 설계에서 중요한 요소"라고 밝혔다.
이상호 교수는 "전극과 고체전해질 사이의 접촉 계면을 효과적으로 개선할 수 있는 새로운 접근법을 제시했다"고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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