전고체 전지 이온이 질서있게 이동해 성능·내구성 다 잡았다

[파이낸셜뉴스] 포항공과대(POSTECH) 박수진 교수팀과 포스코홀딩스 미래기술연구원 김진홍·배홍열 박사팀이 전고체 전지의 충전과 방전과정에서 리튬과 전자를 균일하게 이동하도록 만들어 성능과 내구성을 높이는 기술을 개발했다. 실제 9.7㎛(마이크로미터) 초박형 리튬금속 양극으로 전고체 전지 셀을 만들어 400시간 이상 안정적인 성능을 보였다. 또한 1㎃h·㎠ 용량의 전고체 전지 셀을 2㎃·㎠ 전류밀도로 1100번의 충방전에도 안정적으로 작동했다.

17일 POSTECH에 따르면, 전고체 전지는 음극에 도금된 리튬과 전자의 이동을 활용하여 전기를 생산한다. 전지가 충방전될 때 리튬 금속은 전자를 잃고 이온이 되었다가 다시 전자를 얻어 금속 형태로 음극 표면에 들러붙는다.

이 과정에서 리튬이 무분별하게 붙게되면 사용할 수 있는 리튬이 빨리 고갈돼 전지의 성능과 내구성이 현저하게 떨어졌다.

박수진 교수는 "하면 전착이라는 새로운 전략을 바탕으로 장기간 활용할 수 있는 전고체 전지 시스템을 개발했다"고 설명했다.

연구진은 전고체 전지에 고분자 바인더와 카본블랙으로 구성된 보호층과 리튬친화성 집전체를 기반으로 금속이 붙는 현상을 안정화하기 위한 '바닥 증착' 개념을 도입했다.

보호층과 집전체 사이에 리튬 도금이 일어나는 바닥 증착은 내부 단락을 우회하고 리튬의 균일한 부피 변화를 촉진한다. 보호층용으로 제조된 기능성 바인더는 금속 성장에 따른 부피 팽창에 견딜 수 있도록 기계적 견고성과 접착성을 가진다.

주사전자현미경(SEM)을 사용해 분석한 결과, 리튬 이온이 안정적으로 달라붙고 떨어지는 전착·탈리 현상을 보였다.

즉, 불필요하게 소모되는 리튬이 현저하게 줄어들었으며, 전고체 전지가 오랜 시간 동안 안정적 전기화학적 성능을 보였다.

박수진 교수는 "후속 연구를 통해 전지 수명을 더욱 효과적으로 늘리고, 에너지 밀도를 높일 수 있는 새로운 방향성을 제시하겠다"고 말했다.

한편, 포스코 홀딩스는 이번 공동연구성과 등을 기반으로 차세대 이차전지의 핵심소재인 리튬 금속 음극의 상용화를 추진할 계획이다.

[e-mail] 김만기 기자