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이차전지 소재개발로 배터리 안정성과 출력성능 한 번에 잡는다

- 생기원, 산화물계 전고체전지 상용화를 위한 일체형 복합양극소재 개발

- 전고체전지의 가장 큰 단점인 입자간 계면저항을 최소화해 고출력 유리

□ 전기자동차나 신재생에너지의 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System) 전원으로 널리 사용되는 리튬이온전지는 안전성 확보가 가장 중요한 이슈로 손꼽힌다.

ㅇ 그런데 상용 리튬이온전지는 인화성이 높은 액체전해질을 사용하기 때문에 과열되거나 외부 충격으로 손상될 경우 폭발할 위험성이 있다.

ㅇ 반면 고체전해질 기반의 전고체전지(All-Solid Battery)*는 내열성과 내구성이 뛰어나고 화재 및 폭발 사고 우려가 없어 차세대 배터리로 각광받고 있다.

* 전지 내부 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 이차전지로,
고체전해질 종류에 따라 산화물, 황화물, 고분자 계열로 분류

□ 한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이낙규)이 산화물계 전고체전지의 에너지밀도를 극대화해 안전하면서도 출력 성능까지 높일 수 있는 ‘일체형 복합양극소재’ 개발에 성공했다.

ㅇ 개발된 소재는 기존 전고체전지의 가장 큰 단점으로 지적돼왔던 전극* 내 입자간 계면(界面) 저항을 크게 낮출 수 있어서 고출력에 유리하다.

* 전기가 드나드는 곳. 전지 전원에서 전류가 나오는 곳을 양극, 전류가 들어가는 곳을 음극이라 함

ㅇ 또한 양극 활물질과 고체전해질이 일체형으로 구성된 복합소재여서 고밀도 전극 제조도 가능하다.

□ 산화물계 전고체전지의 양극 구조는 크게 고체전해질과 전자 전도를 담당하는 ‘도전재’, 전지 용량을 좌우하는 ‘활물질’, 그리고 이들을 결착시켜 전극을 물리적으로 안정화해주는 ‘바인더’로 구성된다.

ㅇ 생기원 스마트에너지나노융합연구그룹 임진섭 박사 연구팀은 쿠에트 테일러(Couette-Taylor) 반응기를 이용해 하이니켈(NCM80) 양극 활물질 입자 주변에 산화물계 고체전해질 중 가장 효과적이라고 평가받는 ‘리튬-란탄-지르콘-산소(LLZO)’ 소재를 코팅하는 공정을 고안했다.

ㅇ 이 공정을 활용하면 전고체전지의 전극 내에 고체전해질을 따로 배치하지 않아도 되므로 배터리의 부피를 줄일 수 있으며, 그만큼의 부피를 활물질 배치에 활용할 수 있기 때문에 에너지 밀도는 극대화된다.

□ 이번 연구는 2019년 6월 생기원 김호성 박사(現 제주본부장) 연구팀이 개발한 바이폴라(Bipolar)* 구조의 산화물계 전고체전지 제조기술에 기반을 두고 있다.

* 다수의 단위셀이 하나의 셀스택 안에서 직렬로 연결되어 있는 구조

ㅇ 김호성 박사는 LLZO 소재의 생산비용을 최소화하고 이온전도도를 세계 최고 수준으로 향상시켰으며, 이를 고강도 바인더와 결합해 복합고체전해질 시트로 제작해냈다.

ㅇ 이번 연구는 복합고체전해질 시트의 양극소재를 개발하는 후속연구로써, 양극 활물질과 고체전해질을 일체화하는 방식으로 고용량·고출력 전극을 구현해낸 것이다.

□ 임진섭 박사는 “최근 전고체전지의 연구개발 초점이 안전성과 에너지 밀도를 동시에 잡을 수 있는 방안으로 옮겨가는 상황”이라고 밝히며, “김호성 박사의 선행 연구주제를 발전시켜 출력 성능과 안전성 면에서 모두 향상된 양극소재를 개발해 산화물계 전고체전지 상용화에 한 걸음 더 다가서게 됐다“고 말했다.

ㅇ 한편, 이번 연구결과는 지난 10월 양극재 표면 개질이 산화물 기반 전고체 배터리에 미치는 영향을 주제로 ‘Journal of Material Chemistry A’ 논문에 게재됐다.