▲ 김병곤 선임연구원. ⓒ 한국전기연구원
▲ 김병곤 선임연구원. ⓒ 한국전기연구원

한국전기연구원(KERI)는 김병곤 차세대전지연구센터 박사팀이 '희생양극'과 '인듐음극'을 도입해 안정성과 수명 특성이 향상된 황화물계 차세대 전고체전지 개발에 성공했다고 8일 밝혔다.

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 기존 가연성 액체에서 화재나 폭발의 위험성이 낮은 고체로 대체한 것이다.

높아진 안정성으로 외부 충격을 막기 위한 안전장치가 별도로 필요하지 않고, 고체 전해질이 분리막 역할까지 대신해 전지의 고용량화, 소형화, 형태 다변화 등 사용 목적에 따라 활용 가능하다.

전고체전지는 낮은 이온 전도성, 제조공정과 양산화의 어려움, 높은 단가 등 상용화까지 해결해야 할 과제가 많다.

고체 형태의 전해질과 양극/음극, 도전재와의 계면 불안정성, 활성 리튬 손실 등 문제가 크다.

이에 김병곤 박사팀은 희생양극과 인듐음극을 도입했다. 희생양극은 계면 불안정성으로 인해 발생하는 리튬 손실을 보상하기 위해 충전 때 질화리튬이 분해되면서 전지에 추가 리튬을 공급해준다.

추가된 리튬은 인듐 음극과 반응해 부피를 더욱 팽창시켜 셀 내부 압력을 높이고, 이는 입자 간 접촉을 향상시켜 전지의 성능을 높인다.

이외에도 리튬이 충·방전을 거듭할수록 나뭇가지 모양으로 자라나는 '수지상 성장'을 억제해주는 인듐음극은 고체 전해질과 안정적인 화학적 계면을 형성해 전지의 장기 수명 특성을 높인다.

연구팀은 개발 성과의 효과를 확인하기 위해 실시간 발생가스와 셀 압력변화 측정, X-ray 단층촬영 등의 분석기술을 활용했고 이를 통해 셀 내부 압력과 음극 계면 안정성이 전지 성능에 긍정적이라는 사실을 밝혀냈다.

같은 원리로 전고체전지에 KERI가 개발한 희생양극·인듐음극 기술이 도입되면 260사이클 이상의 안정적인 충·방전 수명 특성을 확보할 수 있다는 것을 확인했다.

상용화된 리튬이온전지가 통상 300~500회의 사이클을 가지고 있는 것을 고려하면 KERI의 기술은 상용화를 앞당길 수 있는 큰 성과다.

김병곤 박사는 희생양극에 대해 "추가적으로 금속성 리튬음극을 사용하지 않아도 되기 때문에 셀 제작 단계에서 공정과 비용을 최소화하면서도 성능도 동시에 향상시킬 수 있는 기술"이라고 설명했다.

김 박사는 인듐음극에 대해 "인듐의 셀 전압이 낮아 추가적 연구가 필요하지만 전고체전지의 수명을 좌우하는 음극 분야에서 전지의 장기 안정성의 기반을 마련했다는 점은 의미가 매우 크다"고 말했다.

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