고체전지 성능·내구성 향상… 상용화 앞당기나

서울대 강기석 교수팀과 삼성전자 종합기술원 임동민 마스터팀
1천번 사용해도 95%이상의 용량 유지… 에너지밀도도 기록적

이차전지. 게티이미지 제공

[파이낸셜뉴스] 서울대 강기석 교수팀과 삼성전자 종합기술원 임동민 마스터팀이 차세대 배터리로 불리는 산화물 고체전해질 기반의 전고체전지 성능을 오랫동안 유지시킬 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 적용한 고체전지는 1000번 이상 충방전을 거듭해도 95% 이상의 용량을 유지했다. 또한 110㎛ 두께의 고체전해질을 사용해 상용화가 가능한 470Wh/L의 에너지밀도를 나타냈다.

강기석 교수는 16일 "차세대 전지로 각광받는 산화물 고체전해질 기반 전고체전지의 단락 원인을 규명하고 이를 획기적으로 해결했다는 점이 상용화의 발판을 놓아줄 수 있을 것"이라고 말했다.

전고체전지는 배터리의 양극과 음극 사이 전기가 통하는 전해질을 액체 대신 고체를 사용해 안전성이 높다.

또한 음극을 리튬 금속으로 사용할 수 있어 현재 사용하고 있는 리튬이온전지보다 용량을 더 크게 늘릴 수 있다. 그 중, 미국 코닝 사의 가넷 구조 기반의 산화물 고체전해질은 유망한 전해질 소재로 주목받고 있다.

하지만 리튬금속 표면에서 발생하는 덴드라이트는 전극 단락과 폭발 위험이 있다. 덴드라이트는 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 모양의 결정이 만들어져 전극의 부피팽창과 전극-전해질 사이 부반응 등을 유발해 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다. 이를 해결하기 위한 다양한 연구들이 학계에서 발표됐지만 아직까지 상용화 가능한 수준의 전지 성능을 보고한 결과는 없었다.

이에 연구진은 열역학 계산과 실험을 병행했다. 그결과 산화물 고체전해질 내부로의 리튬 덴드라이트 성장 원인이 전해질 조성에 기인한 리튬금속과의 반응이라는 것을 밝혀냈다. 또 전해질의 리튬 일부를 수소로 치환할 경우 리튬 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있음을 발견했다.

특히, 수소 치환을 위해 강산 수용액으로 표면을 처리했다. 이는 전해질 제조 과정에서 형성될 수 있는 전해질 표면의 불순물 제거와 함께 전해질 강도까지 향상됐다. 이를 바탕으로 상용화 기준에 부합하는 산화물 고체전해질 기반의 전고체전지를 만들었다.

이 전고체전지는 일반 충전 조건에서 1000회 이상 안정적으로 작동했으며, 높은 에너지 밀도까지 기록했다.

삼성전자 종합기술원의 김주식 전문연구원은 "이 전고체전지는 외부 가압 없이도 장기간 작동이 가능해 전기차용 전지뿐 아니라 차세대 스마트폰 등의 다양한 모바일 기기용 전지로도 활용이 가능하다"고 설명했다.

이번 연구결과는 서울대학교 재료공학부 강기석 교수팀과 삼성전자 종합기술원 임동민 마스터, 김주식·김세원 전문연구원, 미국 코닝사가 공동으로 연구해 자연 과학 분야 세계적 학술지인 '네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)'에 지난 6일 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자