고체전해질을 코팅한 전지가 1000번 써도 성능 그대로

전기연구원-경희대-중앙대-부산대
양극활물질에 고체전해질 부분 코팅
시뮬레이션으로 최적의 혼합율 계산

전기연구원 하윤철 박사팀이 양극활물질과 고체전해질이 최적으로 혼합해 전고체전지의 성능을 향상시켰다. 전기연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀이 전고체전지의 성능을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 전고체전지에 들어가는 전극판 제조때 양극활물질에 고체전해질을 부분 코팅하는 방법을 적용한 것이다.

이를 시제품에 적용한 결과, 1000번 이상 충방전 동안에도 전지가 가지고 있는 용량의 80.6% 이상을 유지했다. 연구진은 이 기술 관련 특허까지 확보하고 관련 수요업체를 발굴해 상용화를 추진할 계획이다.

하윤철 박사는 29일 "전고체전지 보급 확대를 위해 고체전해질 자체의 고성능화와 저가격화도 중요하지만, 이온과 전자의 흐름을 원활하게 돕는 전극판을 효과적으로 만드는 구조 설계와 제조 공정 기술도 중요하다"고 설명했다. 그러면서 "최적의 비율로 고체전해질이 부분 코팅된 양극활물질 복합소재를 통해 전극판의 기능성을 높이고, 전고체전지 성능 향상에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

전고체전지는 화재나 폭발 위험이 극히 낮아 차세대 전지로 주목받고 있다. 하지만 전해질이 '고체'라는 특성 때문에 액체전해질로 만든 전지보다 훨씬 높은 기술력이 요구되며 제조가 어렵다. 특히 전극판 제조 과정에서 내부의 양극활물질, 고체전해질, 도전재, 바인더를 효과적으로 혼합하고 분산시키는 기술이 중요하다. 연구진은 "전고체전지는 전자와 리튬이 잘 전달될 수 있는 구조로 채널을 만들어야 하고, 각 부품간 접촉면에서의 저항을 낮춰야 하는 등 까다로운 조건을 만족시켜야 한다"고 설명했다.

전기연구원 하윤철 박사(왼쪽)가 전고체전지용 양극활물질과 고체전해질을 혼합하기 위해 연구진과 '브레이드 밀' 장비 사용에 대해 논의하고 있다. 전기연구원 제공

연구진은 전고체전지의 성능을 향상시키기 위해 양극활물질에 고체전해질을 부분적으로 코팅하는 방법을 활용했다. 고체전해질은 산소와 수분에 민감해 잘못 활용하면 변질돼 성능이 떨어진다.

우선 이를 극복하기 위해 화학 반응을 일으키지 않는 '비활성 기체'를 사용할 수 있는 특수 장비 '블레이드 밀'을 개발했다. 연구진은 이 장비로 다양한 형태의 고체전해질 코팅 구조를 연구하고, 양극활물질과의 최적 혼합 비율 등을 실험하고 검증했다.

이후 다양한 시뮬레이션을 통해 전고체전지의 이론 용량 대비 실제 구동 용량과 저전류 충·방전 대비 고속 충·방전을 향상시킬 수 있는 데이터를 확보했다.

연구진은 시뮬레이션에서 나온 결과를 바탕으로 전고체전지 파우치 셀을 만들어 성능을 테스트했다. 그결과, 전고체전지는 1000번의 충방전하는 동안 80.6%의 용량을 유지했다.

한편, 하윤철 박사팀은 경희대 응용화학과 김병곤 교수팀, 중앙대 에너지시스템공학부 문장혁 교수팀, 부산대 재료공학부 이승기 교수팀과 협력해 개발한 이 기술을 에너지 분야 국제 저명 학술지인 '에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자