▲ 이번 연구에 참여한 (왼쪽부터)오지민 선임연구원, 김주미 연구원, 이명주 연구원, 권도윤 연구원, 강석훈 연구원, 김주영 선임연구원, 신동옥 선임연구원, 이영기 책임연구원

고체 전해질 없이 흑연 활물질로만 리튬 이온 전극을 구성해 기존대비 에너지밀도를 1.5배 높인 전고체 전지가 구현돼 로봇, 전기차, ESS, 드론 등 배터리 효율향상에 큰 도움이 될 것으로 기대를 모으고 있다.

한국전자통신연구원(ETRI)과 대구경북과학기술원(DGIST) 공동연구팀은 활물질 간 원활한 리튬이온 확산 특성을 규명, 새로운 형태의 전고체 이차전지용 전극 구조를 설계했다고 15일 밝혔다. 

본 성과는 미국화학회(ACS) 에너지분야 국제 학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 에 지난달 온라인 등재되며 우수성을 입증받았다.

이번 연구에서 ETRI 연구진은 실험을 통해 흑연 활물질 입자 간에도 이온이 전달되는 것을 확인하며 활물질과 바인더로만 구성된 새로운 형태의 전고체 이차전지용 전극 구조를 제안했다.

전극 내 고체 전해질 없이도 전고체 이차전지의 성능이 여전히 구현 될 수 있다는 가능성을 발견한 것이다.

ETRI가 제안한 구조는 공동연구진인 DGIST에서 슈퍼컴퓨터 기반 모델링으로 가상의 전기화학실험을 진행하며 이론적으로 실현 가능함을 확인했다.

연구진의 기술을 적용하면 고체 전해질이 필요 없기에 같은 부피에 더 많은 활물질을 전극에 집어넣을 수 있다. 

즉, 전극 내 활물질 함량이 98wt%에 달할 정도로 구성을 극대화할 수 있고 그 결과, 에너지밀도를 일반적인 흑연 복합 전극 대비 약 1.5배 높일 수 있다.

제조공정 측면에서도 차별화된 장점이 있다.

일반적으로 많이 쓰이는 황화물계(Sulfide) 고체전해질 소재는 높은 이온전도도와 우수한 성형성을 지니지만 높은 화학적 반응성으로 인해, 용매 및 바인더 선택이 까다로웠다.

이에 반해 연구진이 만든 전극에는 고체 전해질이 없기에 용매 및 바인더의 선택이 자유로워 전고체 이차전지 성능 향상을 위한 다양한 연구를 시도할 수 있다.

본 연구의 총괄책임자인 ETRI 지능형센서연구실 이영기 박사는 “전고체 이차전지를 개발하는 기존 구조에서 벗어나 활물질만으로 이온을 확산할 수 있는 것을 최초로 밝혔다. 본 기술로 에너지밀도를 더욱 높일 이차전지를 개발, 핵심 원천 기술을 확보하며 상용화를 이루는데 힘쓰겠다”고 밝혔다.

ETRI는 이번 연구가 흑연 음극 활물질 대상으로 연구가 진행되었지만, 같은 개념을 기반으로 다양한 전극 소재와 양극 활물질을 대상으로 응용 연구를 진행할 예정이다. 

또한, 전극 간 계면 이슈를 줄이고 전극의 부피도 얇게 만들어 효율을 높이는 기술을 고도화하는 연구도 병행할 계획이다.

본 연구는 ETRI 주관으로 DGIST 이용민 교수팀의 공동 연구로 진행되었다.

논문 1저자는 ETRI 김주영 박사와 DGIST 박주남 박사이며 과학기술정보통신부 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업 지원으로 수행됐다.