▲ [사진1]‘Advanced Science’ 1월호 표지논문으로 게재된 한국전기연구원의 전고체전지용 음극 제조 기술 연구결과

국내 연구진의 황화물계 전고체전지 음극제조기술 연구결과가 그 성과를 인정받아 국제 저명 학술지에 표지논문으로 게재됐다.

한국전기연구원(이하 KERI, 원장 명성호)은 전고체전지 연구개발팀(하윤철·김병곤·최홍준 연구원)의 ‘안정적인 황화물계 전고체전지용 음극 제조 기술’ 관련 연구결과가 국제 학술지 ‘Advanced Science’ 1월 표지논문 게재됐다고 17일 밝혔다.

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 기존 액체에서 위험성이 낮은 고체로 대체한 것이다.

전고체전지 음극 소재는 ‘리튬금속(Li-metal)’이 사용되고 있다. 그러나 충·방전 시 리튬 표면에 나뭇가지 모양 리튬이 자라는 덴드라이트가 발생, 전지의 수명과 안정성을 크게 낮추는 문제가 있어 상용화에 어려움이 있었다.

그간 이를 해결하기 위한 다양한 시도가 있었으나 제작 방법이 매우 복잡하거나 전압이 낮아지는 등 상용화 관점의 한계가 있었다.

KERI가 찾은 방안은 리튬 친화성 물질인 ‘은(Ag)’이었다. 연구팀은 리튬과 은을 결합해 합금을 만들면 열역학적 안정 ‘금속간화합물 상(phase)’을 형성한다는 것을 알아냈고, 물리적 보호막으로 작용 덴드라이트 생성을 막고, 황화물계 고체전해질과의 화학적 안정성도 향상된다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 대면적으로 제작이 가능한 ‘롤 프레싱’ 방식을 활용, 리튬 포일과 은 포일을 물리 결합, 다양한 전기화학 평가와 ‘X선 광전자 분광기분석’, ‘X-ray 단층촬영’ 등 검증을 진행했다.

이로써 ‘은-리튬 합금 음극’을 적용한 전고체 셀이 140 사이클(실사용 혹은 상품 가치를 가질 수 있는 충·방전 횟수)이상의 충·방전 수명 특성을 달성할 수 있다는 것을 확인했다.

KERI 김병곤 박사는 “음극은 성능과 수명에 영향을 미쳐 많은 양의 리튬을 가역적으로 저장설계가 핵심”이라며 “리튬이 가진 높은 셀 전압의 장점은 살리고, 단점인 덴드라이트 성장은 억제, 대면적으로 음극을 제조하여 활용성을 크게 높인 획기적인 성과”라고 전했다.

연구팀은 이번 연구 방향을 살려서 리튬 친화성 물질인 은의 양을 최적화하는 방법 혹은 은을 대체할 수 있는 물질을 탐색하는 등 가격경쟁력을 향상시킬 수 있는 방법을 찾는다는 계획이다. 또한 이를 대면적에도 적용하여 안정적으로 구동 가능한 시제품 셀도 개발한다는 목표다.

한편, 해당 연구결과는 재료과학 분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF 16.806)’ 1월호에 표지논문으로 게재됐다.